磁敏式傳感器09

會計學(xué)1磁敏式傳感器09

磁敏式傳感器的定義：對磁場參量（B、Φ）敏感、通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換為電信號的器件或裝置。磁電作用：電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)分類：磁電感應(yīng)式傳感器霍爾式傳感器第2頁/共35頁第1頁/共35頁7.1磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動勢的原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。

磁電感應(yīng)式傳感器電路簡單、性能穩(wěn)定、輸出阻抗小，具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般在10~1000Hz），適用于轉(zhuǎn)速、振動、位移、扭矩等測量。第3頁/共35頁第2頁/共35頁7.1.1工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。對于一個N匝線圈，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電動勢將與Φ的變化速率成正比，即：1.電磁感應(yīng)如果線圈相對于磁場的運動線速度為v或角速度ω，則或第4頁/共35頁第3頁/共35頁（1）恒磁通式傳感器第5頁/共35頁第4頁/共35頁

工作原理：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），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖（a））和動鐵式（圖(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)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(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)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。第6頁/共35頁第5頁/共35頁變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a)開磁路；(b)閉磁路（2）變磁通式磁電傳感器第7頁/共35頁第6頁/共35頁

開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，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。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。第8頁/共35頁第7頁/共35頁

閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(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)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。第9頁/共35頁第8頁/共35頁

2磁電感應(yīng)式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，磁電傳感器的輸出電流Io為式中：

Rf——測量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為

第10頁/共35頁第9頁/共35頁而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為

B值大，靈敏度也大，因此要選用B值大的永磁材料；線圈的平均長度大也有助于提高靈敏度，但這是有條件的，要考慮兩種情況：線圈電阻與指示器電阻匹配問題：如圖7.3所示，因傳感器相當(dāng)于一個電壓源，為使指示器從傳感器獲得最大功率，必須使線圈的電阻等于指示器的電阻。線圈的發(fā)熱問題：傳感器線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，接上負(fù)載后，線圈中有電流流過而發(fā)熱。第11頁/共35頁第10頁/共35頁測量誤差

當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、受到機械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為第12頁/共35頁第11頁/共35頁1）非線性誤差

主要原因：當(dāng)磁電式傳感器在進行測量時，傳感器線圈會有電流流過，這時線圈會產(chǎn)生一定的交變磁通，此交變磁通會疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的傳感器工作磁通上，導(dǎo)致氣隙磁通變化。第13頁/共35頁第12頁/共35頁這種影響分為兩種情況①當(dāng)傳感器線圈相對磁場運動所產(chǎn)生的附加磁場與員工作磁場方向相反時，附加磁場將減弱工作磁場的作用，從而使傳感器的靈敏度隨檢測速度的增而降低。即當(dāng)傳感器向上運動時，ΦI與Φ方向相反，減弱了工作磁場的作用，使傳感器靈敏度降低。②當(dāng)傳感器線圈相對磁場運動所產(chǎn)生的附加磁場與原磁場方向相同時，傳感器靈敏度增高。即當(dāng)向下運動時，ΦI與Φ方向同向，增加了工作磁場的作用，靈敏度增大。這兩種情況將導(dǎo)致測量結(jié)果中出現(xiàn)非線性項，且速度越大，影響越明顯。其結(jié)果是線圈的運動方向和速度大小都會使傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器的基波能量降低，諧波能量增加。結(jié)果：靈敏度越高，線圈中電流越大，非線性影響越嚴(yán)重。補償方法：加入補償線圈?！?4頁/共35頁第13頁/共35頁2）溫度誤差

溫度誤差補償辦法：在結(jié)構(gòu)允許的情況下，在傳感器的磁鐵下設(shè)置熱磁分路，進行溫度補償?！?/p>

在磁電式傳感器的各種干擾中，通常溫度干擾比較嚴(yán)重。永久磁鐵的影響比較小，傳感器線圈影響比較大。線圈是用銅線繞成的，溫度系數(shù)為正，溫度每升高10℃，電阻大約增加4%；指示器電路的電阻Rf的溫度系數(shù)也是正的，它的數(shù)值與線圈電阻R1和附加電阻R2有關(guān)。當(dāng)溫度增加t時，電流為：第15頁/共35頁第14頁/共35頁3）動態(tài)特性

當(dāng)被測物振動頻率低于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏度是隨振動頻率的升高而明顯增加的；當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時，傳感器的靈敏度接近為一個常數(shù)，它基本上不隨頻率變化，即在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動速度成正比關(guān)系，這一頻段就是傳感器的理想工作頻段；在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，傳感器靈敏度會隨著振動頻率的增加反而下降。第16頁/共35頁第15頁/共35頁7.1.2測量電路

磁電式傳感器只用于測量動態(tài)量，可以直接測量振動物體的線速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度，加入積分或者微分電路后，可以測量位移和加速度。▲▲第17頁/共35頁第16頁/共35頁7.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用（1）磁電感應(yīng)式振動速度傳感器

第18頁/共35頁第17頁/共35頁（2）磁電感應(yīng)式扭矩傳感器第19頁/共35頁第18頁/共35頁（3）電磁流量計第20頁/共35頁第19頁/共35頁7.2霍爾式傳感器當(dāng)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)?；魻栃?yīng)產(chǎn)生的電動勢被稱為霍爾電勢?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果?！?.2.1工作原理1.霍爾效應(yīng)第21頁/共35頁第20頁/共35頁

在場為l、寬為b、厚度為d的長方形導(dǎo)電板上，兩對垂直側(cè)面各裝上電極。如果在長度方向通入控制電流I，在厚度方向施加磁感應(yīng)強度為B的磁場時，那么導(dǎo)電板上的自由電子在電場作用下定向移動，此時，每個電子受到洛倫茲力?L的作用，大小為：電子沿電流反方向坐定向移動，又在fL作用下向里漂移，結(jié)果在導(dǎo)電板里底面積累了電子，而外表面積累了正電荷，將形成附加內(nèi)電場EH，稱為霍爾電場。在EH的作用下，電子將受到一個與洛倫茲力方向相反的電場力作用，此力阻止電荷的繼續(xù)積聚，當(dāng)在金屬體內(nèi)電子積累達(dá)到動態(tài)平衡時，電子所受的洛倫茲力與電場力大小相等，即則：第22頁/共35頁第21頁/共35頁則相應(yīng)的電動勢就稱為霍爾電動勢UH，其大小可表示為：或：

當(dāng)電子濃度n，電子定向運動平均速度為v時，根據(jù)電流的定義有：即：對于N型半導(dǎo)體，霍爾電壓為：第23頁/共35頁第22頁/共35頁對于N型材料：對于P型材料：

物理意義：KH表征了一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小?！娮釉陔妶鲋械钠骄w移速度為：則：第24頁/共35頁第23頁/共35頁2.霍爾元件（1）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)

霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)比較簡單，它由霍爾片、4根陰線和殼體三部分組成。a、b的焊點稱為激勵電極；c、d的焊點稱為霍爾電極?！?5頁/共35頁第24頁/共35頁（2）霍爾元件基本特性線性特性與開關(guān)特性：線性特性是指霍爾元件的輸出電動勢UH分別和基本參數(shù)I、B成線性關(guān)系（磁通計中的傳感器使用）。開關(guān)特性是指霍爾元件的輸出電動勢UH在一定區(qū)域隨B增加而迅速增加的特性（直流無刷電動機的控制中使用）。不等位電阻：表示未加磁場時，不等位電動勢與相應(yīng)電流的比值。產(chǎn)生原因：①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位下；②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻；③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分配。負(fù)載特性溫度特性：霍爾元件的溫度特性包括霍爾電動勢、靈敏度、輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性，它們歸結(jié)為霍爾系數(shù)和電阻率與溫度的關(guān)系。第26頁/共35頁第25頁/共35頁（3）霍爾元件的零位誤差及補償不等位電動勢的補償▲▲

寄生直流電動勢的補償：元件在制作安裝時，盡量做到使電極歐姆接觸，并做到均勻散熱。歐姆接觸：金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻。1）霍爾元件的零位誤差及補償?shù)?7頁/共35頁第26頁/共35頁2）霍爾元件的溫度誤差及其補償

一般半導(dǎo)體材料都具有較大的溫度系數(shù)。所以當(dāng)溫度發(fā)生變化是，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率以及霍爾系數(shù)都會發(fā)生變化。為了減小溫度誤差，除了使用溫度系數(shù)小的半導(dǎo)體材料（如砷化銦）以外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a償電路進行補償。第28頁/共35頁第27頁/共35頁霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系：

如圖所示，當(dāng)霍爾元件的初始溫度為T0，初始輸入電阻為RI0，靈敏度系數(shù)為KH0，分流電阻為RP0時：第29頁/共35頁第28頁/共35頁當(dāng)溫度上升T時，電路中個參數(shù)變化為：則有

要使電路滿足在溫度變化前后，霍爾電動勢U0不發(fā)生變化，即則▲▲第30頁/共35頁第29頁/共35頁7.2.2測量電路

電源E提供激勵電流，可變電阻RP用于調(diào)