磁電式傳感器1

2023/2/41第7章磁電式傳感器麥克斯韋電磁場理論

變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生電場，當(dāng)閉合回路導(dǎo)體處在此電場中時(shí)，導(dǎo)體中的自由電子在電場力作用下作定向移動(dòng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流；如果不是閉合回路，則導(dǎo)體中自由電子的定向移動(dòng)使斷開處兩端積累正、負(fù)電荷而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

被測(cè)量→電信號(hào)分類：磁電感應(yīng)式、霍爾式和磁敏式2023/2/42一磁電感應(yīng)式傳感器1、工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律：Φ為磁通量B為磁感應(yīng)強(qiáng)度l為導(dǎo)體長度v相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度磁鐵與線圈之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)磁路中的磁阻變化恒定磁場中的線圈面積變化Φ磁通量變化關(guān)鍵2023/2/43其中：1-永久磁鐵2-軟磁鐵3-感應(yīng)線圈4-測(cè)量齒輪5-內(nèi)齒輪6-外齒輪7-轉(zhuǎn)軸(1)變磁通式a開磁通式b閉磁通式磁電感應(yīng)式傳感器分類：變磁通式和恒磁通式2023/2/44①開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪齒數(shù)的乘積。

這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單,但輸出信號(hào)較小,且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。2023/2/45②閉磁路變磁通式：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(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng),內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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)生周期性變化的感生電動(dòng)勢(shì)。

顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。采用測(cè)頻的方法可以得到被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。2023/2/46(2)恒定磁通式工作氣隙中的磁通恒定永久磁鐵

線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)線圈不動(dòng)，磁鐵運(yùn)動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)，磁鐵不動(dòng)動(dòng)圈式動(dòng)鐵式2023/2/47感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈相對(duì)磁鐵運(yùn)動(dòng)線速度或角速度正比B——?dú)庀洞鸥袘?yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)l——線圈導(dǎo)線總長度(m)S——線圈所包圍的面積(m2)v——線圈和磁鐵間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度(m/s)ω——線圈和磁鐵間相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速(rad/s)α——運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角式中：磁鐵和線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切割磁力線從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)2023/2/48磁電式傳感器：利用，測(cè)量量變化→感應(yīng)電壓e有源傳感器電磁式傳感器：利用銜鐵運(yùn)動(dòng)，Rm變化→L變化→U

變化無源傳感器注意與電磁式傳感器區(qū)別2023/2/492、基本特性當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路中,傳感器的輸出電流Io為式中:Rf——測(cè)量電路輸入電阻l——每匝線圈平均長度

R——線圈等效電阻N——線圈匝數(shù)傳感器的電流靈敏度為運(yùn)動(dòng)速度傳感器ERRfI02023/2/410而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為：

當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí),其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差為：2023/2/411(1)非線性誤差

磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是:

由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通ΦI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化，如圖所示2023/2/412當(dāng)產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖所示方向相反時(shí)，感生電勢(shì)E、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向,從而增大了傳感器的靈敏度。其結(jié)果是線圈運(yùn)動(dòng)方向不同時(shí),傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值2023/2/413為補(bǔ)償上述附加磁場干擾,可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈,如圖所示。補(bǔ)償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流,適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù),可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。補(bǔ)償線圈2023/2/414對(duì)銅線而言，當(dāng)溫度變化時(shí)每攝氏度變化量為：dL/L≈0.167×10-4

dR/R≈0.43×10-2溫度變化時(shí)對(duì)鋁鎳鈷永久磁合金dB/B≈-0.02×10-2這樣可得近似值：γt≈(-4.5%)/10℃這一數(shù)值是很可觀的,所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。(2)溫度誤差2023/2/415熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。溫度正常時(shí)將空氣氣隙磁通分路掉一小部分；而當(dāng)溫度過高時(shí)，它的磁導(dǎo)率顯著下降，分流掉的磁通顯著降低，從而保持空氣氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。2023/2/416磁電式傳感器是速度傳感器，通常具有較高的靈敏度，不需要增益放大器。積分：將速度轉(zhuǎn)換成位移，s＝∫vdt微分：速度轉(zhuǎn)換成加速度，a＝dv/dt磁電式傳感器量程選擇321前置放大微分電路積分電路主放大器顯示或記錄3’2’1’3、測(cè)量電路2023/2/417(1)磁電式相對(duì)速度計(jì)

1-頂桿2,5-彈簧片3-磁鐵4-線圈6-引出線7-外殼4、應(yīng)用

測(cè)量時(shí)，殼體固定在一個(gè)試件上，頂桿頂住另一試件，則線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)速度就是兩試件的相對(duì)速度。速度計(jì)的輸出電壓與兩試件的相對(duì)速度成正比。相對(duì)式速度計(jì)可測(cè)量的最低頻率接近于零。2023/2/418(2)磁電式扭矩傳感器2023/2/419在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤，它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個(gè)磁電傳感器。當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓，其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)乘積。當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個(gè)相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。2023/2/420二霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。2023/2/421半導(dǎo)體薄片+磁場B+電流I電動(dòng)勢(shì)EE⊥(B,I)1、霍爾效應(yīng)

置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。2023/2/422（洛倫茲力）e——電子電荷量v——電子速度B——磁感應(yīng)強(qiáng)度（電場力）EH——靜電場強(qiáng)度電荷累積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)2023/2/423流過基片的電流稱激勵(lì)電流或控制電流：I=n×e×v×bdn——N型半導(dǎo)體載流子(電子)濃度I=p×e×v×bdp——P型半導(dǎo)體載流子(空穴)濃度

bd——與電流方向垂直的截面積霍爾電勢(shì)：其中：RH＝1/ne(N型半導(dǎo)體）——霍爾常數(shù)

1/pe(P型半導(dǎo)體）

KH＝RH/d——霍爾片靈敏度為提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀2023/2/424霍爾元件激勵(lì)極間電阻(N型半導(dǎo)體）ρL/bd＝

R＝U/I=EL/I=vL/μnevbd其中：μ＝v/E——電子遷移率金屬半導(dǎo)體絕緣體電阻率小大大載流子遷移率高高低目前常用霍爾元件材料：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。2023/2/4252、霍爾元件(1)基本結(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。1、1′引線（激勵(lì)/控制電極）施加激勵(lì)電源或電流2、2′引線（霍爾電極）為霍爾輸出引線。2023/2/426

①額定激勵(lì)電流——霍爾元件自身溫升10℃所流過的激勵(lì)電流最大允許激勵(lì)電流——霍爾元件允許最大溫升對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流。改善霍爾元件散熱條件，使I增大→UH增大②輸入電阻——霍爾元件激勵(lì)電極間的電阻值；輸出電阻——霍爾電極輸出電勢(shì)對(duì)外等效為電壓源，其內(nèi)阻值測(cè)量條件：B=0，t＝20℃±5℃③不等位電勢(shì)——理想條件I=0，B＝0→UH＝0；實(shí)際上，UH≠0(2)基本特性④寄生直流電勢(shì)——B＝0，I為交流時(shí)，交流UH＋直流電勢(shì)e。原因：激勵(lì)電極和霍爾電極接觸不良，造成整流現(xiàn)象；霍爾電極大小不對(duì)稱，熱容不同，散熱不同形成溫差電勢(shì)寄生直流電勢(shì)一般在1mV以下,它是影響霍爾溫漂的原因之一⑤

霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)B、I一定，△t＝±1℃，△UH/UH×100%。2023/2/427不等位電壓U0U0=R0I當(dāng)B=0，I≠0霍爾電極裝在不同等位面上，產(chǎn)生不等位電壓U0霍爾元件的不均勻電阻率或厚度也會(huì)產(chǎn)不等位電壓(3)不等位電勢(shì)補(bǔ)償激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流分布不均勻2023/2/428電橋補(bǔ)償辦法

將霍爾元件看成四臂電橋，不等位電壓相當(dāng)于電橋不滿足平衡條件下的不平衡輸出電壓，因而可以外接電阻以補(bǔ)償其橋路的不平衡輸出。

不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過之，在使用中要消除不等位電勢(shì)是及其困難的，為此必須采用補(bǔ)償方法。2023/2/429

霍爾元件由半導(dǎo)體構(gòu)成，許多參數(shù)具有較大溫度系數(shù)。當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，其載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都隨溫度變化，產(chǎn)生溫度誤差。

通過選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施可以減小霍爾元件溫度誤差。(4)溫度補(bǔ)償2023/2/430①

恒流源供電，并聯(lián)電阻保持升溫前后霍爾電勢(shì)不變，則有：當(dāng)T0?T即只需滿足：2023/2/431②

恒壓源供電，串聯(lián)電阻當(dāng)T0?T即只需滿足：保持升溫前后霍爾電勢(shì)不變，則有：2023/2/432③合理選擇負(fù)載電阻RL的值

霍爾元件的輸出電阻和霍爾電勢(shì)與元件溫度有一定的函數(shù)關(guān)系，可選擇負(fù)載電阻RL的值使得輸出電壓UL不隨溫度變化。令則得到2023/2/433具有正溫度系數(shù)溫度誤差具有負(fù)溫度系數(shù)溫度誤差④采用溫度補(bǔ)償元件（熱敏電阻）2023/2/434⑤使用橋路補(bǔ)償電路2023/2/435為了增加輸出的霍爾電壓、功率直流供電時(shí)控制電流端并聯(lián)霍爾元件串聯(lián)交流供電時(shí)輸出通過變壓器耦合3、霍爾式傳感器2023/2/4364、霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。2023/2/437（1）當(dāng)B恒定，UH與I呈線性關(guān)系（2）當(dāng)I恒定，UH與B成正比（3）當(dāng)I恒定，元件在均勻梯度磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)直接測(cè)量電流能轉(zhuǎn)換成電流的其它物理量測(cè)量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度可測(cè)量微位移，以及壓力、加速度、振動(dòng)等（4）當(dāng)B→勵(lì)磁電流I2時(shí)，UH＝KI1I2霍爾元件做成乘法器、乘方器、開方器、除法器2023/2/438霍爾元件開方器×I0

B運(yùn)放UHUiRL-++-2023/2/439霍爾特斯拉計(jì)霍爾元件2023/2/440霍爾傳感器用于測(cè)量磁場強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值2023/2/441

霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點(diǎn),在位移測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用?；魻柺轿⑽灰苽鞲衅?023/2/442霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)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(dòng)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(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵2023/2/443霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。2023/2/444霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。2023/2/445霍爾式接近開關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。2023/2/446霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICTn=60f4(r/min)2023/2/447霍爾電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。2023/2/448霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHI0BII2023/2/449霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口2023/2/450霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零70.9A2023/2/451鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示2023/2/452鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示70.9A2023/2/453霍爾鉗形電流表的使用被測(cè)電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測(cè)電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中2023/2/454霍爾鉗形電流表的使用

叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便

用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流2023/2/455霍爾傳感器電流測(cè)量2023/2/4562023/2/457能夠改善霍爾器件的溫度磁場特性2023/2/458霍爾計(jì)數(shù)裝置2023/2/459霍爾計(jì)數(shù)裝置2023/2/460設(shè)：有功功率二倍頻交流分量5測(cè)量功率2023/2/461磁敏二極管和磁敏三極管1、磁敏二極管三磁敏傳感器一種磁電轉(zhuǎn)換元件，可將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)特點(diǎn)：體積??；靈敏度高；響應(yīng)快；無觸點(diǎn)；輸出功率大；性能穩(wěn)定應(yīng)用：磁場檢測(cè)；磁力探傷；轉(zhuǎn)速測(cè)量；電流測(cè)量；無觸點(diǎn)開關(guān)；無刷直流電機(jī)2023/2/462(1)基本結(jié)構(gòu)及工作原理P+-i-N+

型二極管i為高純度半導(dǎo)體材料r為高復(fù)合區(qū)①當(dāng)B＝0，通過i區(qū)形成電流——少量復(fù)合②當(dāng)B+≠0，由于F的作用，電子與空穴偏向r區(qū)，迅速復(fù)合，電流減小。③當(dāng)B-≠0，由于F的作用，電子與空穴偏向i區(qū)，復(fù)合減小，電流變大。電流的