第7章 磁電式傳感器

第7章磁電式傳感器7.1磁電感應(yīng)式傳感器7.2霍爾式傳感器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，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。有源傳感器:不需要輔助電源，就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號一般分為兩種：磁電感應(yīng)式:

利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電勢霍爾式:

載流半導(dǎo)體在磁場中有電磁效應(yīng)(霍爾效應(yīng))而輸出電勢7.1.1磁電感應(yīng)式傳感器工作原理

以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)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率，即若線圈相對磁場運動為速度v或角轉(zhuǎn)度ω時或在傳感器中，當(dāng)結(jié)構(gòu)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ω)成正比。兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：1.變磁通式(磁阻式)角速度型測速電機圖7-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動圈式；(b)動鐵式2.恒磁通式

飛機振動模態(tài)分析7.1.2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（7-4)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（7-5)圖7-3磁電式傳感器測量電路而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(7-6)

(7-7)

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(7-8)

磁電式傳感器在使用時存在誤差，主要為非線性誤差和溫度誤差。

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，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。圖7-4傳感器電流的磁場效應(yīng)

2.溫度誤差

當(dāng)溫度變化時，式（7-8）中右邊三項都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由式（7-8）可得近似值如下：溫度補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)的特殊磁性材料做成。正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通比例較正常工作溫度下顯著降低，使空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)。7.1.3磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路圖7-5磁電式傳感器測量電路方框圖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,所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器,若要獲取被測位移或加速度信號,則需要配用積分或微分電路。7.1.4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用

1.動圈式振動速度傳感器圖7-6動圈式振動速度傳感器

2.磁電式扭矩傳感圖7-7磁電式扭矩傳感器工作原理圖圖7-8磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差，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。7.2霍爾式傳感器7.2.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件

1.霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應(yīng)。置于磁場中的靜止載流體中，若電流方向與磁場方向不相同，則在載流體的垂直于電流與磁場方向所組成的兩個側(cè)面將產(chǎn)生電動勢。這一現(xiàn)象為美國物理學(xué)家愛德文·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)，稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動勢稱為霍爾電勢?；魻杺鞲衅魇抢没魻栐诨魻栃?yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器?；魻栃?yīng)原理圖當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)（d側(cè)）偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。bdEHIlBvfEfL－＋＋－稱為霍爾系數(shù)，它是由基片材料的物理性質(zhì)決定常數(shù)；靈敏度系數(shù)，表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時的霍爾電勢大小。

fL=evBfE=eEH霍爾電勢:

若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運動平均速度為v,則激勵電流I=nevbd，即定向運動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當(dāng)fL=fE時，達到平衡，此時霍爾元件激勵極間電阻電子遷移率μ:

電子在電場作用下運動速度的大小，即在單位電場強度作用下電子的平均速度值同時霍爾元件材料金屬材料，電子μ很高但ρ很小，絕緣材料，ρ很高但μ很小。故為獲得較強霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。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(InSb)，這兩種材料的特性很相似。圖7-10霍爾元件（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；（b）圖形符號2.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法3.霍爾元件基本特性

(1)額定激勵電流IH和最大允許激勵電流

使霍爾片溫升10℃所施加的控制電流值。以元件最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流（限制額定激勵電流的主要因素是散熱條件）（2）輸入電阻Ri

控制電極間的電阻值（20±5℃）

輸出電阻R0

指霍爾電極間的電阻值UHIHRiRo

(3）不等位電勢和不等位電阻

當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，此時測得的空載霍爾電勢。不等位電勢就是激勵電流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓。(4）寄生直流電勢(5）霍爾電勢溫度系數(shù)

圖7-11不等位電勢示意圖4.霍爾元件不等位電勢補償補償原理：將r1、r2、r3、r4其視為電橋的四個臂，即電橋不平衡，為使其平衡可在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻。

圖7-12霍爾元件的等效電路零點誤差：不等位電勢：①電極引出時偏斜，②半導(dǎo)體的電阻特性（等勢面傾斜）造成。③激勵電極接觸不良。寄生直流電勢：由于霍耳元件是半導(dǎo)體，外接金屬導(dǎo)線時，易引起PN節(jié)效應(yīng)，當(dāng)電流為交流電時，整個霍耳元件形成整流效應(yīng)，PN節(jié)壓降構(gòu)成寄生直流電勢，帶來輸出誤差。補償方法制作工藝上保證電極對稱、歐姆接觸電路補償:A、B為霍爾電極，C、D為控制電極，在極間分布的電阻用r1、r2、r3、r4表示，理想情況是r1＝r2＝r3＝r4，即零位電勢為零（或零位電阻為零）。但實際上存在著零位電勢，則說明此四個電阻不等。基本補償電路

霍爾元件的不等位電勢補償電路有多種形式，下圖為兩種常見電路，其中RW是調(diào)節(jié)電阻?；狙a償電路沒有考慮溫度變化的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化，需要重新進行平衡調(diào)節(jié)。圖7-135.霍爾元件溫度補償誤差原因：溫度變化時，KH,Ri（輸入電阻）變化,KH=KH0(1+αΔT)

補償辦法對溫度引起的I進行補償。采用恒流源供電。但只能減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流的變化的影響。對KHI乘積項同時進行補償。采用恒流源與輸入回路并聯(lián)電阻。初始狀態(tài)：KH0,Ri0,圖7-14恒流溫度補償電路

溫度變化后：要使UH0=UHKH0IH0B=KHIHB

即具有溫度補償?shù)难a償電路右圖是一種常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱菅a償電路。該補償電路本身也接成橋式電路，其工作電壓有霍爾元件的控制電壓提供；其中一個為熱敏電阻Rt，并且于霍爾元件的等效電阻的溫度特性相同?；魻柤呻娐坊魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關(guān)型兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負(fù)。開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān)

當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。

用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

圖7-15霍爾式位移傳感器的工作原理圖(a)磁場強度相同傳感器；(b)簡單的位移傳感器；(c)結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器7.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用

1.霍爾式微位移傳感器霍爾線性位移傳感器圖7-16幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器在被測轉(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。設(shè)該齒輪有22個齒SN線性霍爾磁鐵霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICTNS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0π2πNS霍爾元件ωα（轉(zhuǎn)角）VH0永磁體裝在軸端的轉(zhuǎn)速測量方法永磁體裝在軸側(cè)的轉(zhuǎn)速測量方法工作原理及用途：

被測體上貼一磁鋼，非接觸式測量，高可靠，適用于低轉(zhuǎn)速，體積小、安裝方便，對環(huán)境無要求，適合各種惡劣環(huán)境、污濁環(huán)境、功耗低，適宜長期工作?；魻柺睫D(zhuǎn)速計圖7-17霍爾計數(shù)裝置的工作示意圖及電路圖3.霍爾計數(shù)裝置

當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。

4.霍爾電流傳感器霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零70.9A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霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A霍爾鉗形電流表的使用被測電流的導(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電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中將空調(diào)電源的“三芯護套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測量電動機的相電流霍爾式電流諧波分析儀

被測電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌5.霍爾式微壓力傳感器6.霍爾式角位移傳感器葉片和齒輪位置傳感器7.霍爾式汽車速度測量傳感器當(dāng)齒對準(zhǔn)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(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。磁電式車速傳感器8.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)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

普通直流電動機使用的電刷和換向器無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用電動自行車可充電電池組無刷電動機無刷直流電動機的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強等特點。電動自行車的無刷電動機及控制電路去速度控制器利用PWM調(diào)速霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)某型號霍爾電流傳感器技術(shù)指標(biāo)

額定輸入電流：300A

額定輸出電：4±1%V

電源電壓：±15±5%V

失調(diào)電壓：25mV

失調(diào)電壓漂移：≤±1mV/℃

線性度：≤1%FS

響應(yīng)時間：≤7μS

絕緣電壓：50HZ，1min，2.5KV

工作溫度：-10～+70℃

匝數(shù)比：1：2000

霍爾電流傳感器的技術(shù)指標(biāo)與計算

“匝數(shù)比”：

NP被定義為“一次測線圈”的匝數(shù)，一般取NP=1；N