傳感器第7章 ppt課件

1、第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器,利用電磁感應(yīng)原理將被丈量(振動、位移、轉(zhuǎn)速)轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器它不需輔助電源把被測的機(jī)械量轉(zhuǎn)成電信號,有源傳感器輸出功率大且性能穩(wěn)定,義務(wù)帶寬(101000 Hz), 運(yùn)用廣 由電磁感應(yīng)定律, w匝線圈在磁場內(nèi)運(yùn)動時,E-wdF/dt7.1.1 磁電感應(yīng)式傳感器義務(wù)原理磁電感應(yīng)式傳感器義務(wù)原理兩種磁電傳感器: 變磁通式和恒磁通式。1、變磁通式：也稱變磁阻式或變氣隙式第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感

2、器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用圖a為開磁路變磁通式，每轉(zhuǎn)動一個齒,磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次, 感應(yīng)電勢變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與丈量齒輪齒數(shù)的乘積。圖b為閉磁路變磁通式.齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化,引起磁通的變化,線圈產(chǎn)生周期變化的感生電動勢。這種傳感器構(gòu)造簡單,輸出信號較小,不宜丈量高轉(zhuǎn)速。感應(yīng)電勢頻率與轉(zhuǎn)速成正比 第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用2、恒定磁通式磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定直流磁場,磁路中義務(wù)氣隙固定不變,因此氣隙中磁通也是恒定不變的。運(yùn)動部件可以是線圈動圈式圖a, 運(yùn)動部件可以是磁鐵動鐵式圖b義務(wù)原理是完全一

3、樣當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于固有頻率時, 運(yùn)動部件不隨振動體振動, 能量被彈簧吸收,磁鐵與線圈間的相對運(yùn)動速度接近于振動速度, 產(chǎn)生感應(yīng)電勢為 E=-B0lWv典型構(gòu)造如圖第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器的電流靈敏度為00IfIB lWSvRR000fffBlwvRUI RR R00fUfB lwRUSvRR磁電傳感器接入丈量電路中,輸出電流Io為7.1.2 磁電感應(yīng)式傳感器根本特性磁電感應(yīng)式傳感器根本特性00ffB lWvEIRRRR傳感器義務(wù)溫度發(fā)生變化或遭到外界磁場干擾、機(jī)械振動或沖擊時,靈敏度發(fā)生變化而產(chǎn)生丈量誤差。 相對誤差為傳感器輸出電壓

4、和電壓靈敏度分別為IIdsdBdldRsBlRRERfIoUo第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用主要緣由: 傳感器線圈有電流I流過時,產(chǎn)生交變磁通I,疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的義務(wù)磁通上,使恒定的氣隙磁通變化如以下圖。1. 1. 非線性誤差非線性誤差傳感器線圈相對于磁鐵運(yùn)動速度大時,產(chǎn)生較大感生電勢E和電流I產(chǎn)生的附加磁場與原義務(wù)磁場方向相反,減弱義務(wù)磁場作用, 使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運(yùn)動速度與圖示方向相反時,產(chǎn)生的附加磁場方向與義務(wù)磁場同向, 從而增大了傳感器的靈敏度。線圈運(yùn)動速度方向不同, 傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值

5、第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。傳感器靈敏度越高,線圈中電流越大, 非線性越嚴(yán)重為補(bǔ)償上述干擾,在傳感器中參與補(bǔ)償線圈,如圖a。適中選擇補(bǔ)償線圈參數(shù), 使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通相互抵消, 從而到達(dá)補(bǔ)償?shù)哪康?。第? 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用溫度變化,誤差式中右邊三項(xiàng)不為零,對銅線每攝氏度變化量為dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2,對鋁鎳鈷永磁合金dB/B-0.0210-2,可得近似值:t(-4.5%)/10 2.

6、 2. 溫度誤差溫度誤差 補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性資料做成。當(dāng)溫度升高時,熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降,分流掉的磁通占總磁通的比例較正常義務(wù)溫度下顯著降低, 堅持空氣隙的義務(wù)磁通不隨溫度變化, 維持傳感器靈敏度為常數(shù)。第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢, 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以普通不需求高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器, 假設(shè)要獲取被測位移或加速度信號, 那么需求配用積分或微分電路。 圖為普通丈量電路方框圖7.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的丈量電路磁電感應(yīng)式傳感器的

7、丈量電路第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用圖為用集成運(yùn)算放大器組成的積分或微分丈量電路。傳感傳感器器1231R223C1R1R4R5C2R3R3SST1T2-+-+U0傳感器傳感器1231R223C1R1C2R3SSU0第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用左圖是動圈式振動速度傳感器構(gòu)造表示圖7.1.4 磁電感應(yīng)式傳感器的運(yùn)用磁電感應(yīng)式傳感器的運(yùn)用1. 1. 動圈式振動速度傳感器動圈式振動速度傳感器義務(wù)時,傳感器外殼和永久磁鐵隨物體振動, 芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不振動。線圈切割磁力線產(chǎn)生正比于振動速度的

8、感應(yīng)電動勢,線圈的輸出經(jīng)過引線輸出到丈量電路，丈量振動速度參數(shù), 。在丈量電路中接入積分電路, 那么輸出電勢與位移成正比; 在丈量電路中接入微分電路, 那么其輸出與加速度成正比。第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用2. 2. 磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器左圖是磁電式扭矩傳感器的義務(wù)原理圖。第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用在驅(qū)動源和負(fù)載之間改動軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤, 它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的構(gòu)造見圖所示。傳感器檢測元件部分由永久磁場、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時,引起磁

9、路氣隙的變化,磁通量發(fā)生變化, 在線圈中感應(yīng)出交流電壓,頻率等于齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)乘積。扭矩作用在改動軸上時,磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這相位差與改動軸的改動角成正比。傳感器就可以把扭矩引起的改動角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。 第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。用于電磁丈量、壓力、加速度、振動等丈量。7.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器1. 1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)7.2.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件霍爾效應(yīng)及霍爾元件bHU-e- - - - + + + +huf efmBE在垂直于B的方向上放置一導(dǎo)電板,通電流I,

10、方向如以下圖。電子受洛侖磁力fm作用 ， f m 大 小 為 ：fm=eBv 。 第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用使金屬導(dǎo)電板前面積累電子, 而后面積累正電荷, 從而構(gòu)成了附加內(nèi)電場EH, 稱霍爾電場, EH=UH/b霍爾電場的出現(xiàn),使定向運(yùn)動的電子除受洛侖磁力作用外,還受霍爾電場的作用力,大小為eEH，阻止電荷繼續(xù)積累。當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場力大小相等、方向相反時,eEH=evB,即EH=vB,到達(dá)平衡外形。金屬板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n, 電子定向運(yùn)動平均速度為v, 那么鼓勵電流I=nevbd, 那么v=I/bdne得EH=IB/bdne

11、UH=IB/bne,令RH=1/(ne)稱為霍爾常數(shù),KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。那么UH=RHIB/d=KHIB霍爾電勢正比于鼓勵電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度,靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比與厚度d成反比?；魻栐Ｖ瞥杀∑庑?。 第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用霍爾片資料的要求,有較大的霍爾常數(shù)RH, nebdLbdL鼓勵極間電阻R=L/bd, 同時R=UI/I=EL/I=vL/(nevbd),霍爾常數(shù)等于霍爾片資料電阻率與電子遷移率的乘積。那么解得RH=要求霍爾片資料有較大的電阻率和載流子遷移率。 金屬載流子遷移率高,電阻率小;而絕緣資料電阻率極高,

12、 載流子遷移率極低。故只需半導(dǎo)體資料適于制造霍爾片N型鍺容易加工制造,霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好N型硅的線性度最好, 霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感,低溫溫度系數(shù)大,室溫霍爾系數(shù)較大砷化銦霍爾系數(shù)較小,溫度系數(shù)也較小,輸出特性線性度好第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用霍爾元件的構(gòu)造簡單,由霍爾片、引線和殼體組成,如圖a所示2. 2. 霍爾元件根本構(gòu)造霍爾元件根本構(gòu)造霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片， 引出四個引線。1、1引線加鼓勵電壓或電流，稱為

13、鼓勵電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖b。 b第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用元件本身溫升10時所流過的鼓勵電流稱為額定鼓勵電流3. 3. 霍爾元件根本特性霍爾元件根本特性1 額定鼓勵電流和最大允許鼓勵電流元件允許最大溫升對應(yīng)的鼓勵電流稱為最大允許鼓勵電流運(yùn)用中選用盡可以大的鼓勵電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使最大允許鼓勵電流添加。2 輸入電阻和輸出電阻鼓勵電極間的電阻值稱為輸入電阻;霍爾電極輸出相當(dāng)于電壓源，其內(nèi)阻輸出電阻稱為電勢電阻值是在

14、磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在205時確定的。3 不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的鼓勵電流為I時,元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用產(chǎn)生緣由:霍爾電極安裝不對稱或不在同一等電位面上 資料不均勻呵斥了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻 鼓勵電極接觸不良呵斥鼓勵電流不均勻分布等。不等位電勢也可用不等位電阻表示 r0=U0/IH不等位電勢是鼓勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。4 寄生直流電勢：在外加磁場為零,霍爾元件用交流鼓勵時,霍爾電極輸出的直流電勢,稱寄生直流電勢。產(chǎn)生緣由 電極接觸不良, 構(gòu)成

15、非歐姆接觸, 呵斥整流效果; 兩個霍爾電極大小不對稱, 那么兩個電極點(diǎn)的熱容不同, 散熱外形不同構(gòu)成極向溫差電勢。寄生直流電勢普通在1mV以下, 影響霍爾片溫漂的緣由5 霍爾電勢溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和鼓勵電流下, 溫度每變化1時, 霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。 第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用不等位電勢與霍爾電勢相當(dāng),消除它極困難,須采用補(bǔ)償。4. 4. 霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補(bǔ)償方法。如圖,A、B為鼓勵極,C、D為霍爾極,極分布電阻用R1,

16、R2,R3,R4表示理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可獲得零位電勢為零。不等位電阻的存在,此四個電阻值不相等,可將其視為電橋的四個橋臂,那么電橋不平衡。為使其到達(dá)平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻(圖a),或在兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻(圖b)。 第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用霍爾元件的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時, 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。5. 5. 霍爾元件溫度補(bǔ)償霍爾元件溫度補(bǔ)償減小霍爾元件溫度誤差, 除用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,用恒流源供電是有效

17、,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。減小輸入電阻隨溫度變化引起的鼓勵電流I變化帶來的影響霍爾元件的靈敏系數(shù)KH隨溫度變化引起霍爾電勢的變化。它與溫度的關(guān)系： KH=KH01+T多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值,它們的霍爾電勢隨溫度升高而添加1+T倍。同時讓鼓勵電流I相應(yīng)地減小,堅持KHI乘積不變, 就抵消了靈敏系數(shù)KH添加的影響。第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用在圖示電路中,初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數(shù)為KH1,分流電阻為Rp0, 得電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的鼓勵電極相并聯(lián)。)/(I000H0iPPRRIR左圖是按此設(shè)計的一個簡單、

18、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。RpUHISIpIH輸入電阻隨溫度升高而添加,旁路分流電阻Rp自動地加強(qiáng)分流, 減少了霍爾元件鼓勵電流I,從而到達(dá)補(bǔ)償?shù)哪康?。?dāng)溫度升至T時, 電路中各參數(shù)變?yōu)镽i=Ri0(1+T),Rp=Rp0(1+T)那么PHPiR IIRR)1()1()1(000TRTRITRiPP第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用UH0=UH, KH0IH0B=KHIHB,aRai0P0)(R溫度升高T,補(bǔ)償電路須滿足溫升前、后霍爾電勢不變, 當(dāng)霍爾元件選定后, 它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)是確定值。那么:KH0IH0=KHIH略去(T)2得:計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)值。 為了滿足R0及兩個條件, 分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合, 這樣雖然費(fèi)事但效果很好。第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器傳感器原理及工程應(yīng)用傳感器原理及工程應(yīng)用霍爾元件可用于磁感應(yīng)強(qiáng)度,有功功率,電能參數(shù)及位移丈量。7.2.2 霍爾式傳感器的運(yùn)用1. 1. 霍爾式微位移傳感器霍爾式微位移傳感器圖a的傳感器,其動態(tài)范圍可達(dá)5 mm, 分辨率為 0.001mm。圖b是一種構(gòu)造簡單的霍爾位移傳感器圖c是一個由兩個構(gòu)造一樣磁路組成的霍爾式位