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1、第6章 磁敏传感器,LOREM IPSUM DOLOR,传感器与自动检测技术,本章概述,磁敏式传感器：通常把对磁学量信号（如磁感应强度B、磁通）敏感、通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换为电信号的器件或装置称为磁敏式传感器。 磁电作用：磁电作用主要分为电磁感应、涡流效应、磁阻效应、霍尔效应等。 主要内容：本章主要介绍磁电感应式传感器、电涡流传感器、霍尔式传感器、半导体磁阻器件和结型磁敏器件。,6.1 磁电感应式传感器,磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的原理进行工作的。 它是一种机电能量变换型传感器，属于有源传感器，直接从被测物体吸取机械能量并转
2、换成电信号输出，不需要供电电源。 磁电感应式传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗小，具有一定的频率响应范围(101000Hz)，适用于转速、振动、位移、扭矩等测量。,6.1.1 磁电感应式传感器的工作原理,磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础。1831年法拉第经研究揭示：当导体在稳定均匀的磁场中，沿着垂直于磁场方向作切割磁力线运动时，导体内将产生感应电动势。对于一个N匝的线圈，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电动势将与的变化速率成正比，即 式中的“”表明感应电动势的方向。如果线圈相对于磁场的运动线速度为或角速度，则上式可改写为 或 在磁感应式传感器中，当其结构参数确定后，即B、L、S、N均为
3、确定值，则感应电动势E与线圈相对磁场的运动速度或成正比。根据这一原理，人们设计出恒定磁通式和变磁通式两类磁电感应式传感器。,B线圈所在磁场的磁感应强度； L每匝线圈的平均长度； S每匝线圈的平均截面积。,1. 恒磁通式传感器 恒磁通式传感器是指在测量过程中使导体（线圈）位置相对于恒定磁通变化而实现测量的一类磁电感应式传感器。分成动圈式和动铁式两种结构类型。,图6.1 恒磁通磁电感应式传感器结构,动圈式的运动部件是线圈，永久磁铁与传感器壳体固定，线圈与金属架用柔软弹簧片支撑；动铁式的运动部件是磁铁，线圈、金属骨架和传感器壳体固定，永久磁铁用弹簧支撑。 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体
4、的振动速度，线圈与磁铁的相对运动将切割磁力线，从而产生与运动速度成正比的感应电动势E。,2. 变磁通式传感器 变磁通式传感器主要是靠改变磁路的磁通大小来进行测量，即通过改变测量磁路中气隙的大小改变磁路的磁阻，从而改变磁路的磁通。变磁通磁电感应式传感器可分为开磁路和闭磁路两种结构，分别如图6.2(a)和图6.2(b)所示。 开磁路变磁通磁电感应式传感器由永久磁铁、软磁铁、感应线圈和测量齿轮等组成。测量时，线圈和磁铁静止不动，齿轮（导磁材料）随被测物体一起转动。测量齿轮的凸凹导致气隙发生变化，影响磁路磁阻的变化，从而线圈中产生感应电动势，其变化频率等于被测转速与齿轮齿数的乘积。由此，可用测量被测旋
5、转体的转速。此类传感器结构简单、输出信号较弱，且由于平衡和安全问题，一般不宜测量高转速。,图6.2 变磁通磁电感应式传感器结构,闭磁路变磁通磁电感应式传感器由装在转轴上的定子和转子、感应线圈和永久磁铁等部分组成。传感器的定子和转子由纯铁制成，在其原形端面上均匀分布凹槽。 测量时,将传感器的转子与被测物轴相连接，当被测物旋转时就会带动转子旋转，当转子和定子的齿凸相对时，气隙最小、磁通最大；当转子与定子齿凹相对时，气隙最大、磁通最小。定不动而转子旋转时，磁通发生周期性变化，从而在线圈中感应出近视正弦波的电动势信号。 变磁通式传感器对环境要求不高，工作频率范围为50Hz100kHz。,图6.2 变磁
6、通磁电感应式传感器结构,6.1.2 磁电感应式传感器的测量电路,磁电感应式传感器可以直接输出感应电势信号，且磁电感应式传感器通常具有较高的灵敏度，所以不需要高增益放大器。但磁电感应式传感器只用于测量动态量，可以直接测量振动物体的线速度v 或旋转体的角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以测量位移或加速度。图6.3是磁电感应式传感器的一般测量电路框图。,图6.3 磁电感应式传感器一般测量电路框图,6.2 电涡流传感器,电涡流传感器是根据电涡流效应制成的传感器。 电涡流效应指的是这样一种现象：根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，通过
7、导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面形成电流并自行闭合，状似水中的涡流，称为电涡流。 电涡流传感器能对位移、厚度、表面温度、振动、速度、材料损伤等进行非接触式连续测量。,6.2.1 电涡流传感器的工作原理,电涡流传感器由传感器激励线圈和被测金属体组成。根据法拉第电磁感应定律，当传感器激励线圈中通以正弦交变电流时，线圈周围将产生正弦交变磁场，使位于该磁场中的金属导体产生感应电流，该感应电流又产生新的交变磁场。新的交变磁场的作用是为了反抗原磁场，这就导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z为,被测体的电阻率； 被测体的磁导率； r线圈与被测体的尺寸
8、因子； f线圈中激磁电流的频率； x线圈与导体间的距离。,图6.4 电涡流传感器原理,实际应用时通常改变线圈与导体间的距离x，而保持其他参数不变。 讨论电涡流传感器时，可以把产生电涡流的金属导体等效成一个短路环，即假设电涡流只分布在环体内。 由基尔霍夫电压定律有 由上式可得发生电涡流效应后的等效阻抗为,线圈激磁电流的角频率； R1、L1线圈的电阻和电感； R2、L2短路环的等效电阻和等效电感； M线圈与金属导体间的互感系数。,Req产生电涡流效应后线圈的等效电阻； Leq产生电涡流效应后线圈的等效电感。,根据比较可知： （1）产生电涡流效应后，由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部（等效电阻）增大
9、、虚部（等效电感）减小，因此，线圈的等效机械品质因数下降。 （2）电涡流传感器的等效电气参数都是互感系数的函数。通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，因此，电涡流传感器属于电感式传感器（互感式）。,6.2.2 电涡流传感器的测量电路,1.调频式测量电路 传感器线圈作为组成振荡器的电感元件，并联谐振回路的谐振频率为 当电涡流线圈与被测物体的距离变化时，电涡流线圈的电感量在涡流影响下随之变化，引起振荡器的输出频率变化，该频率信号（TTL电平）可直接计算机计数，或通过频率电压转换器（又称为鉴频器）将频率信号转换为电压信号，用数字电压表显示出对应的电压。,图6.5 调频式测量电路,2.调幅式测量电
10、路 调幅式测量电路分为恒定频率调幅式和频率变化调幅式两种。图6.6为恒定频率调幅式测量电路，它由传感器线圈、电容器、晶体振荡器、正反馈放大电路和检波滤波等。 当被测金属导体与电涡流传感器线圈间有距离变化时，电路中就有相应幅值变化的高频电压输出，此高频电压的频率仍为振荡器的频率。可将这一恒定频率调幅波的高频电压经电路调理为直流电压进行测量。,图6.6 调幅式测量电路,6.3 霍尔传感器,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。,6.3.1 霍尔效应,当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称
11、为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。,e单个电子的电荷量，； B磁场感应强度； v电子平均运动速度。,在一块长度为L、宽度为b、厚度为d的长方形导电板上，两对垂直侧面各装上电极，如果在长度方向通入控制电流I，在厚度方向施加磁感应强度为B的磁场时，那么导电板中的自由电子在电场作用下定向运动，此时，每个电子受到洛伦兹力fL的作用，fL大小为,图6.7 霍尔效应原理图,电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fL作用下向里飘移，结果在导电板里底面积累了电子，而外表面积累了正电荷，将形成附加内电场EH,称为霍尔电场。当在金属体内电子积累
12、达到动态平衡时，电子所受洛仑兹力和电场力大小相等，即eEH=eBv，因此有 则相应的电动势就称为霍尔电势UH，其大小可表示为 当电子浓度为n,电子定向运动平均速度为v时，对于不同的材料，可得出表6.1所示霍尔效应的特征量。,b导电板宽度,表6.1 不同半导体材料霍尔效应的特征量,半导体材料,物理量,霍尔电势与霍尔系数或霍尔灵敏度的关系可表示为 霍尔灵敏度KH表征了一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电动势的大小。 为了提高霍尔式传感器的灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状，一般来说霍尔元件的厚度d=0.10.2mm（通常b4mm，L2mm），薄膜型霍尔元件的厚度只有1m左右。根据表
13、6.1的灵敏度定义可知霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成反比，由于金属的自由电子浓度过高，所以不适于用来制作霍尔元件。制作霍尔元件一般采用N型半导体材料。,1. 霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构比较简单，它由霍尔片、4根引线和壳体三部分组成。 霍尔元件是一块矩形半导体单晶薄片，在长度方向焊有两根控制电流端引线a和b，它们在薄片上的焊点称为控制电极（或称激励电极）；在薄片另两侧端面的中央以点的形式对称地焊有c和d两根输出引线，它们在薄片上的焊点称为霍尔电极（或称输出电极）。霍尔元件的外形、结构和电路符号如图6.8所示。,图6.8 霍尔元件及符号,6.3.2 霍尔元件,2.主要技术参数 （1）额定控制
14、电流IC ：在B=0、静止空气中环境温度为25时，由焦耳热产生的允许温升条件下从霍尔元件控制电极输入的电流。 （2）输入电阻Rin ：指在室温、零磁场下控制电极间的电阻。 （3）输出电阻Rout ：指在室温、零磁场、无负载情况下霍尔电极间的电阻。 （4）乘积灵敏度 KH：指在单位控制电流I 、单位磁感应强度B作用下霍尔元件输出端开路时测得的霍尔电压UH。 （5）磁灵敏度SB：指在额定控制电流I、单位磁感应强度B作用下输出端开路时测得的霍尔电压UH。,（6）不等位电势UM ：指在B=0、额定电流I时因输出电极不在同一等位面上或材料不均匀（电阻率不同）而产生一定的电位差。 （7）霍尔电压温度系数：
15、在一定的B、控制电流I作用下，温度每变化1时UH的相对变化率。 （8）电阻温度系数：在一定的B、控制电流I作用下，温度每变化1时 的相对变化率。,6.3.3 霍尔元件的误差及其补偿,霍尔元件的误差主要有零位误差（不等位电动势、寄生直流电动势）和温度误差。 1. 不等位电动势及其补偿 不等位电动势误差是零位误差中最主要的一种，它与霍尔电势具有相同的数量级，有时候甚至会超过霍尔电势。 主要原因：霍尔电极不在同一等位面上，半导体材料（电阻率、几何尺寸等）不均匀，控制电极接触不良。 补偿方法：在霍尔式传感器实际使用过程中，其不等位电动势误差是很难消除的，一般采用的方法是利用补偿的原理来消除不等位电动势误差的影响。如图6.9所示，霍尔元件可以等效为一个四臂电桥，当存在不等位电阻时，说明电桥不平衡，四个电阻值不相等。,图6.9 霍尔元件等效电路,为了使电桥平衡，可以采用两种补偿方法。第一，在电桥阻值较大的桥臂上并联电阻，这种补偿方式相对简单，被称为不对称补偿。第二，在两个桥臂上同时并联电阻，这种补偿方式被称为对称补偿，其补偿的温度稳定性较好。不等位电势的补偿电路如图6.10所示。,图6.10 不等位电势的补偿电路,2.寄生直流电动势及其补偿 当霍尔元件的电极焊点不是完全的欧姆接触、霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同时，就会产生寄生直流电动势。寄生直流电动势与工作电流有关，随工作电流减
