傳感器與檢測技術(shù)第05章

1、傳感器與檢測技術(shù)第05章5.1 磁電感應(yīng)式傳感器原理： 磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電勢的傳感器。 它是一種機電能量換型傳感器，不需供電電源，是直接從被測物體吸取機械能量并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 它還可以作為逆變器使用，稱之為反響式傳感器、力平衡式傳感器。名稱： 磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動式傳感器，或感應(yīng)式傳感器。特點： 電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，有具有一定的頻率響應(yīng)范圍101000 Hz， ，適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。5.1.1 工作原理和構(gòu)造類型 磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為根底的，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈兩端的感應(yīng)電動勢正比于線圈所包圍的磁鏈對時間的變化

2、率，即W-線圈匝數(shù)：-線圈所包圍的磁通量。假設(shè)線圈相對磁場運動為速度v或角轉(zhuǎn)度時，上式可改寫為 e-WBlv 或 e-WBs在傳感器中，當構(gòu)造參數(shù)確定后即B、l、W、s均為定值，那么感應(yīng)電勢e與線圈相對磁場的運動速度(v或)成正比。 根據(jù)上述原理。人們設(shè)計了兩種類型的構(gòu)造：一種是變磁通式；另一種是恒定磁通式。1 變磁通式磁電感應(yīng)式傳感器構(gòu)造原理圖 (a)為開磁路變磁通式傳感器：當被測旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。 (b)為閉磁路變磁通式傳感器：當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動

3、勢， 感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。2 恒磁通式磁電感應(yīng)式傳感器構(gòu)造原理圖 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈動圈式圖a，也可以是磁鐵動鐵式 圖 (b)， 動圈式和動鐵式的工作原理是完全一樣的。 當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大， 當振動頻率足夠高遠大于傳感器固有頻率時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動， 近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線， 從而產(chǎn)生與運動速度成正比的感應(yīng)電勢。 磁電感應(yīng)式傳感

4、器只適用于測量動態(tài)物理量，因此動態(tài)特性是這種傳感器的主要性能。 磁電感應(yīng)式傳感器內(nèi)部的構(gòu)造運動屬機械系統(tǒng)。 應(yīng)用機械阻抗概念分析機械振動系統(tǒng)有很多方便之處?？梢杂煤唵蔚拇鷶?shù)方法解出描述系統(tǒng)動態(tài)特性的傳遞函數(shù)方程，而不必去解微分方程，但分析的結(jié)果那么完全一致。5.1.2 動態(tài)特性分析研究過程： 傳感器的機械阻抗實際傳感器的輸入輸出傳遞矩陣傳感器的傳遞函數(shù)。用二階機械系統(tǒng)表示傳感器內(nèi)部系統(tǒng)原理圖一、機械阻抗理想傳感器根本框圖實際傳感器根本框圖二、傳遞矩陣 磁電感應(yīng)式傳感器是一種機電型傳感器，它既能作為機械量的測量傳感器，又能作為發(fā)電機，即它們具有雙向可逆的性質(zhì)，所以對傳感器的輸入量與輸入量的關(guān)系進

5、展研究。 傳感器的輸入端是機械系統(tǒng)，它的輸入輸出特性之間的傳遞矩陣包括：傳感器機械阻抗的傳遞矩陣；理想傳感器的傳遞矩陣；傳感器電阻抗的傳遞矩陣。 實際傳感器的傳遞矩陣為：三、傳遞函數(shù) 圖5-2的恒定磁通式磁電感應(yīng)傳感器的傳遞函數(shù)為：相應(yīng)的幅頻特性為：結(jié)論： 1 當振動體的振動頻率低于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏度隨頻率而明顯變化。 2 當振動體的振動頻率遠高于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏度接近為一常數(shù)。 3 當頻率更高時，由于線圈的阻抗增加，靈敏度也隨著頻率的增加而下降。5.1.3 測量電路一、測量電路的方框圖 磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢，由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一

6、般不需要增益放大器。但磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號，就需配用積分電路或微分電路。二、積分電路有源積分電路原理圖：無源積分電路原理圖：有源和無源積分電路的對數(shù)漸近幅頻特性：一個實用的有源積分電路圖：三、微分電路無源微分電路根本有源微分電路實用有源微分電路有源微分電路的幅頻特性5.1.4 磁電感應(yīng)式傳感器應(yīng)用舉例一、磁電感應(yīng)式振動速度傳感器 CD-1型振動速度傳感器 1、8- 圓形彈簧片，2-圓環(huán)形阻尼器，3-永久磁鐵，4-鋁架，5-芯軸，6-線圈，7-殼體，9-引線二、 磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器5.2 霍爾式傳感器 霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電

7、流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。 當載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場中時，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。5.2.1 霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料 一塊長為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場磁場垂直于薄片中，當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。一、霍爾效應(yīng)物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)的輸入輸出特性為：當磁場與薄片法線有夾角時 霍爾式傳感器是由霍爾元件所組成，可測微小位移、壓力、機械振動等二、霍爾元件材料1鍺(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。3砷化銦(InAs)和銻化銦(I

8、nSb)，這兩種材料的特性很相似。5.2.2 霍爾元件構(gòu)造及測量電路一、構(gòu)造霍爾元件由霍爾片、四極引線和殼體組成。二、測量電路 鼓勵電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)鼓勵電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢UH的負載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。 霍爾效應(yīng)建立的時間極短10-1210-14S，I即可以是直流，也可以是交流。 假設(shè)被測物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過測量霍爾電勢UH就可知道被測量的大小。5.2.3 霍爾元件的主要技術(shù)指標一、額定鼓勵電流IH 使霍爾元件溫升10所施加的控制電流值稱為額定鼓勵電流。通常用IH表示。 當霍爾元件做好之后限制額定電流的主要因素

9、是散熱條件。二、輸入電阻Ri 它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(205)的環(huán)境溫度中測取。三、輸出電阻Rs 它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(205)的條件下測取。四、不等位電勢及零位電阻r0 當霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場時，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在，該電勢就稱為不等位電勢(或零位電勢)。產(chǎn)生原因： 1 霍爾電極安裝位置不正確； 2 半導(dǎo)體材料不均勻或幾何尺寸不對稱； 3 因控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。零位電阻ro:其中 ： UO為不等位電勢或稱零位電勢；ro為不等位電阻或稱零位電阻零位電勢及零位電阻都是在直流下測得的。五、寄生直流電勢 當不加

10、外磁場，控制電流改用額定交流電流時，霍爾電極間的空載電勢為直流與交流電勢之和。其中的交流霍爾電勢與前述零位電勢相對應(yīng)，而直流霍爾電勢是個寄生量，稱為寄生直流電勢V。六、熱阻RQ 它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入1mW的電功率時產(chǎn)生的溫升，單位為mW。所以稱它為熱阻是因為這個溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。5.2.4 霍爾元件的補償電路一、不等位電勢的補償二、溫度補償 一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，為此需要進展溫度補償 。1 分流電阻法 2 電橋補償法測量電路5.2.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例1 霍爾式位移傳感器2 霍爾式壓力傳感器 霍耳開關(guān)集成傳

11、感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出?；舳_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。3 霍耳開關(guān)集成傳感器由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五局部組成。 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。 1霍耳開關(guān)集成傳感器的構(gòu)造及工作原理霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H 3020T輸出VoutR=2k+12V123（b）應(yīng)用電路 （a）外型 霍耳開

12、關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路1233霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用 1霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL1、霍爾轉(zhuǎn)速表 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置ABS中的應(yīng)用 假設(shè)汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾5、霍爾式無刷電動機 霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及