第5章磁電式傳感器PPT課件

1、12021-11-17原理：電磁感應(yīng)原理定義: 將輸入運(yùn)動(dòng)速度或磁量的變化變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。 第1頁/共42頁22021-11-17常見的磁電式傳感器第2頁/共42頁32021-11-17磁電式傳感器的特點(diǎn)1是一種有源傳感器。也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器。2有雙向轉(zhuǎn)換特性。利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器等。3有較大的輸出功率，配用電路較簡單。4零位及性能穩(wěn)定。5工作頻帶一般為101000Hz?？梢杂幸庾R(shí)的向被測物體施加某種能量，并將來自被測物體的信息變換為便于檢測的能量后再進(jìn)行檢測。第3頁/共42頁42021-11-17本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 基本原理與結(jié)構(gòu)

2、形式 （重點(diǎn)） 第二節(jié) 磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性 第三節(jié) 磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償 第四節(jié) 兩種測振傳感器 第五節(jié) 霍爾傳感器 （重點(diǎn)） 第六節(jié) 其他磁敏傳感器第4頁/共42頁52021-11-175.1 基本原理與結(jié)構(gòu)型式 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢與磁通變化率關(guān)系如下： 磁鐵與線圈之間相互運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成恒磁通式結(jié)構(gòu)；磁路中磁阻變化，構(gòu)成變磁通式結(jié)構(gòu)；恒定磁場中線圈面積變化，構(gòu)成變磁通式結(jié)構(gòu)。第5頁/共42頁62021-11-17圖所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動(dòng)速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu)。其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動(dòng)鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動(dòng)使氣隙5

3、和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。 變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型 (b)平移型1、變磁通式結(jié)構(gòu)： 第6頁/共42頁72021-11-171、已知測量齒輪齒數(shù)Z=18，采用變磁通感應(yīng)式傳感器測量工作軸轉(zhuǎn)速(如圖所示)。若測得輸出電動(dòng)勢的交變頻率為24(Hz)，求：被測軸的轉(zhuǎn)速n(r/min)為多少?當(dāng)分辨誤差為1齒時(shí)，轉(zhuǎn)速測量誤差是多少?第7頁/共42頁82021-11-172已知變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器輸出電動(dòng)勢的頻率f=72Hz，測量齒盤的齒數(shù)Z=36，求：（1）被測軸的轉(zhuǎn)速是每分鐘多少轉(zhuǎn)？（2）在上述情況下，如果計(jì)數(shù)裝置的讀數(shù)誤差為1個(gè)數(shù)字，其最大轉(zhuǎn)速誤差是多

4、少？第8頁/共42頁92021-11-172、恒磁通式結(jié)構(gòu)： 工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢是由永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)即線圈切割磁力線而產(chǎn)生，由兩個(gè)主要部分組成：永久磁鐵和線圈，因此有兩種結(jié)構(gòu)：A、動(dòng)圈式；B、動(dòng)鐵式。 恒磁通式結(jié)構(gòu)(a)動(dòng)圈式； (b)動(dòng)鐵式 第9頁/共42頁102021-11-17圖圖(a)(a)為動(dòng)圈式，當(dāng)線圈與磁鐵間有相為動(dòng)圈式，當(dāng)線圈與磁鐵間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e e為為 當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，感應(yīng)電勢e僅與相對(duì)速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為 思考：這類傳感器采用什么樣的測量電路可以用來測量運(yùn)動(dòng)的位移和加速度？Wlla第

5、10頁/共42頁112021-11-17恒磁通式結(jié)構(gòu)等效為二階系統(tǒng)力學(xué)模型圖：5.2 磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性m：線圈組件或永久磁鐵 k：彈簧彈性系統(tǒng) c：金屬線圈骨架相對(duì)磁 場運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁阻尼 第11頁/共42頁122021-11-17磁電式傳感器的頻響特性 分析左式和左圖可得： 1/nRoD、不等位電勢Uo：或稱非平衡電壓、殘留電壓E、寄生直流電勢UoDF、霍爾電勢溫度系數(shù)D和E是零位誤差的主要來源。第29頁/共42頁302021-11-17二、不等位電勢和溫度誤差的補(bǔ)償造成測量誤差的主要原因有兩類：A、半導(dǎo)體制造工藝的缺陷：主要表現(xiàn)為零位誤差B、半導(dǎo)體固有特性：主要表現(xiàn)為溫度誤差第30頁

6、/共42頁312021-11-171、不等位電勢及其補(bǔ)償A、不等位電勢的概念：由于在制作霍爾元件時(shí)，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上，如下圖，因此，當(dāng)控制電流I流過元件時(shí)，即使磁場強(qiáng)度B等于零，在霍爾電極上仍有電勢存在，該電勢就稱為不等位電勢。a 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上； b半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； c 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 第31頁/共42頁322021-11-17Cr1r3r2r4DAB分析不等位電勢時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋， 用分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢。B、不等位電勢示意圖及霍爾元件等效電路圖第32頁

7、/共42頁332021-11-17C、不等位電勢的補(bǔ)償方法：之一：在制造過程中如確知霍爾電極偏離等位面的方向，就應(yīng)采用機(jī)械修磨或用化學(xué)腐蝕元件的方法來減小不等位電勢。之二：對(duì)已制成的霍爾元件，可以采用外接補(bǔ)償線路進(jìn)行補(bǔ)償 教材P125圖5-12第33頁/共42頁342021-11-172、溫度誤差及其補(bǔ)償A、溫度誤差產(chǎn)生原因：由于半導(dǎo)體的電阻率、遷移率和載流子濃度等會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生變化，因此，霍爾元件的性能參數(shù)（如內(nèi)阻、霍爾電勢等）隨溫度的變化也是很靈敏的。B、誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ褐皇沁x用溫度系數(shù)小的元件（如砷化銦）之二是采用溫度補(bǔ)償電路C、一種溫度誤差補(bǔ)償原理圖：教材P126圖5-13第3

8、4頁/共42頁352021-11-17三、 霍爾傳感器的應(yīng)用A控制電流一定時(shí)，霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。利用此關(guān)系可測量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等。 B當(dāng)固定磁場強(qiáng)度及方向時(shí)，可用來測量交、直流的電流、電壓等參數(shù)。 C當(dāng)保持霍爾元件的激勵(lì)電流不變，而讓它在一個(gè)均勻梯度的磁場中移動(dòng)時(shí)，則其輸出的霍爾電勢就取決于它在磁場的位置，利用此測量微位移。 第35頁/共42頁362021-11-17實(shí)驗(yàn)儀器采用的磁路系統(tǒng)如圖(a)所示，由于兩對(duì)極性相反的磁極的共同作用，在磁極間形成一個(gè)梯度磁場。實(shí)驗(yàn)儀器的霍爾元件磁路系統(tǒng)和特性霍爾元件(a)(b)XOB應(yīng)用實(shí)例 -霍爾位移傳感器霍爾電勢與位移量呈線性關(guān)

9、系。輸出電勢極性反映了元件的移動(dòng)方向，磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。第36頁/共42頁372021-11-175.6 其它磁敏傳感器 一 、磁敏電阻器1磁阻效應(yīng) 將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，產(chǎn)生的效應(yīng)：A、產(chǎn)生霍爾效應(yīng)；B、其電阻會(huì)隨磁場變化而變化，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，簡稱磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理效應(yīng)。 第37頁/共42頁382021-11-172磁敏電阻的形狀 磁阻的大小與材料有關(guān)，還與磁敏電阻的幾何形狀有關(guān)。 對(duì)于長方形元件，長寬比越小，磁阻效應(yīng)越大。常見的磁敏電阻是圓盤形的，中心和邊緣處為兩電極，叫做科比諾圓盤，（教材P129圖5-19），這時(shí)的效應(yīng)叫做科比諾效應(yīng)。圓盤形樣品的磁阻最大。 第38頁/共42頁392021-11-173磁敏電阻的應(yīng)用：做成探頭，功率計(jì)、安培計(jì) A做成探頭，配上簡單線路可探測各種磁場； B測量方面應(yīng)用 C可用磁敏電阻制作交流放大器、振蕩器等。 第39頁/共42頁402021-11-17（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)