传感器原理及应用-第7章讲解

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1、EXIT 传感器原理及应用 传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors EXIT 传感器原理及应用 磁电磁电 作用作用 被测非电量被测非电量 电信号电信号 测量测量 电路电路 UU、I I 第七章 磁电式传感器 uu磁电式传感器的定义磁电式传感器的定义 通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。 uu磁电式传感器的感测量磁电式传感器的感测量 磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。 uu磁电式传感器的种类磁电式传感器的种类 根据工作原理：根据工作原理：感

2、应式、霍尔式和磁敏式等。感应式、霍尔式和磁敏式等。 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器 7.3 磁敏式传感器 7.4 磁电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 EXIT 传感器原理及应用 磁电感应式传感器：利用电 磁感应原理将被测量（如振动、 位移、转速等）转换成电信号的 一种传感器。 有源传感器：不需要辅助电 源，就能把被测对象的机械量转 换成易于测量的电信号。 特点：输出功率大，性能稳 定，具有一定的工作带宽（10 1000 Hz）。 一、磁电感应式传感器概述 7.1 磁电感应式传感器 根据电磁感应定律，当导体 在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场 方向运动时

3、，导体内产生的感应 电势为 B稳恒均匀磁场的磁感应强 度；l导体有效长度；v导体相对 磁场的运动速度。 二、磁电感应式传感器工作原理 1、恒磁通式工作原理 变磁通式 恒磁通式 分 类 感生电动势原理 动生电动势原理 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 磁路系统产生恒定的磁场， 磁路中的工作气隙固定不变，因 而气隙中磁通也是恒定不变的。 二、磁电感应式传感器工作原理 1、恒磁通式工作原理 弹簧较软，运动部件质量相 对较大。 当壳体随被测振动体一起振 动频率足够高（远大于传感器固 有频率）时，运动部件惯性很大 ，来不及随振动体一起振动，近 乎静止不动，振动能量几乎全被 弹簧吸收。

4、 永久磁铁与线圈之间的相对 运动速度接近于振动体振动速度 ，磁铁与线圈的相对运动切割磁 力线，从而产生感应电势。 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 当一个W匝线圈相对静止地处 于随时间变化的磁场中时，设穿过 线圈的磁通为，则线圈内的感应电 势E与磁通变化率d/dt关系为 二、磁电感应式传感器工作原理 2、变磁通式工作原理 1永久磁铁； 2软磁铁； 3感应线圈； 4铁齿轮； 开磁路变磁通式：线圈、磁铁 静止不动，测量齿轮安装在被测旋 转体上，随被测体一起转动。每转 动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻 变化一次，磁通也就变化一次，线 圈中产生感应电势。 感应电势变化频率等 于被测转

5、速与测量齿轮上齿 数的乘积。 这种传感器结构简单 ，但输出信号较小，不宜测 量高转速的场合。 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 当测量电路接入磁电传感器电路时， Rf为测量电路输入电阻，R为线圈等效电阻 ，则磁电传感器的输出电流和电压为 三、磁电感应式传感器基本特性 1、磁电传感器的灵敏度 传感器的输出电流和电压灵敏度分别 灵敏度为 灵敏度相对误差为 灵敏度误差：工作温度变化、外界磁场 干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 磁电式传感器产生非线性误差的主要 原因：电流磁场效应。 三、磁电感应式传感器基本特性 2、磁电传感

6、器的非线性误差 传感器线圈内流过电流时，产生一定 的交变磁通，叠加在永久磁铁所产生的工 作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。 当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的 运动速度增大时，产生的附加磁场方向与 原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的 作用，传感器的灵敏度随着被测速度的增 大而降低。 传感器电流的磁场效应 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 三、磁电感应式传感器基本特性 2、磁电传感器的非线性误差 当线圈的运动速度反向时，感应电 势、线圈感应电流反向，所产生的附加 磁场方向与工作磁场同向，从而增大了 传感器的灵敏度。 因此，线圈运动速度方向不同时， 传感器的灵敏度具有不同的数值，

7、使传 感器输出基波能量降低，谐波能量增加, 即这种非线性特性同时伴随着传感器输 出的谐波失真。 传感器灵敏度越高，线圈中电流越 大，这种非线性越严重。 传感器电流的磁场效应 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 三、磁电感应式传感器基本特性 3、磁电传感器的温度误差 当温度变化每摄氏度时，对 铜线变化量为dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B的变化量 决定于永久磁铁的磁性材料。 对铝镍钴永久磁合金， dB/B-0.0210-2，灵敏度随温度 变化误差为 这一数值是很可观的，需要 进行温度补偿。 热磁分流器补偿： 热磁分流器由具有很大负 温度系数的特殊磁

8、性材料做成 。 在正常工作温度下已将空 气隙磁通分掉一小部分。当温 度升高时，热磁分流器的磁导 率显著下降，经分流掉的磁通 占总磁通的比例较正常工作温 度下显著降低，从而保持空气 隙的工作磁通不随温度变化， 维持传感器灵敏度为常数。 EXIT 传感器原理及应用 四、磁电感应式传感器测量电路 7.1 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度， 一般不需要高增益放大器。 磁电感应式传感器是速度传感器，若要获得被测位移或加速度 信号，则需配用积分电路或微分电路。 EXIT 传感器原理及应用 7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器 7.3 磁敏式传感器 7.4 磁

9、电式传感器应用 第七章 磁电式传感器 EXIT 传感器原理及应用 霍尔：1879年 设霍尔元件为N型半导体， 当通电流I时 FL = qvB 一、霍尔效应 7.2 霍尔式传感器 UH b l d I F F v B 当电场力与洛仑兹力相等时 ，达到动态平衡，有 qEH=qvB 霍尔电场的强度为 EH=vB 霍尔电压UH可表示为 UH = EH b = vBb 流过霍尔元件的电流为 I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbd UH=BI/nqd；若取RH = 1/nq则有 EXIT 传感器原理及应用 RH被定义为霍尔元件的霍尔 系数。 霍尔系数由半导体材料性质 决定，反映材料霍尔效应的强弱。

10、一、霍尔效应 7.2 霍尔式传感器 UH b l d I F F v B 霍尔电压为 霍尔元件的灵敏度： 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 压的大小。 KH即为霍尔元件的灵敏度。 霍尔电压与材料的性质有关； 与元件的尺寸有关。 EXIT 传感器原理及应用 霍尔元件：基于霍尔效应工 作的半导体器件。 霍尔元件材料：多采用N型 半导体材料。 霍尔元件组成：霍尔片、四 根引线和壳体。 二、霍尔元件的结构与特性 7.2 霍尔式传感器 最常用的霍尔元件材料有： 锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷 化铟(InAs)等半导体材料。 霍尔元件的壳体：用非导磁 金属、陶瓷或

11、环氧树脂封装。 1、霍尔元件的构造 霍尔片是一块半导体单晶薄片 (420.1mm3)，长度方向两端面上 焊有a、b两根引线，通常用红色导 线，称为控制电极；在另两侧端面 的中间以点的形式对称地焊有c、d 两根霍尔输出引线，通常用绿色导 线，称为霍尔电极。 EXIT 传感器原理及应用 二、霍尔元件的结构与特性 7.2 霍尔式传感器 锗（Ge）：灵敏度低、温 度特性及线性度好。 锑化铟（InSb）：灵敏度 最高、受温度影响大。 1、霍尔元件的构造 溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件 输出1 输出2 输入1 输入2 磁性顶端 引线 衬底 霍尔元件 霍尔元件电路图形符号： 11 激励电极 22 霍尔电极 E

12、XIT 传感器原理及应用 （1）基本连接方式与测量电路 二、霍尔元件的结构与特性 7.2 霍尔式传感器 2、霍尔元件的测量电路 W1 W2 UH UH （2）直流供电输出方式 控制电流端并联，输出电势两倍。 （3）交流供电输出方式 控制电流端串联，绕阻叠加输出。 W UH RL E EXIT 传感器原理及应用 （1）额定功耗 在环境温度25时，允许通过 霍尔元件的电流和电压的乘积。 二、霍尔元件的结构与特性 7.2 霍尔式传感器 3、霍尔元件的技术参数 （4）霍尔温度系数 在一定的磁感应强度和控 制电流下，温度变化1时， 霍尔电势变化的百分率。 （2）输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电流极之

13、间的 电阻。 输出电阻：霍尔元件电极间的 电阻。 在无磁场时用欧姆表等测量。 （3）不平衡（等位）电势 在额定控制电流下，不加磁场 时霍尔电极间的空载霍尔电势。 （5）内阻温度系数 霍尔元件在无磁场及工作 温度范围内，温度每变化1 时，输入电阻与输出电阻变化 的百分率。 （6）灵敏度 EXIT 传感器原理及应用 霍尔元件不等位电动势也叫传 感器输出电压的零位误差。 三、霍尔元件测量误差和补偿 7.2 霍尔式传感器 1、零位误差及补偿方法 A I U0 B CD D R1R2 R4 A B C R3R4 不等位电动势与等效电路 电桥补偿原理：在阻值较大的 桥臂上并联电阻。 EXIT 传感器原理及

14、应用 温度影响电阻率、迁移率、载流子 浓度，导致霍尔元件内阻、霍尔电势随温 度变化。 三、霍尔元件测量误差和补偿 7.2 霍尔式传感器 2、温度误差及补偿方法 基本电路与等效电路 （1）输入回路串联电阻补偿 E I UH R UHt Rt(t)R I UH E Ri(t ) （2）输出回路负载 电阻补偿 霍尔元件的输入采 用恒流源，使控制电流 稳定不变。 I I I I R RL L U U HH 基本电路 EXIT 传感器原理及应用 （3）恒流源补偿 当负载电阻比霍尔元件输出电 阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电 压输出的影响很小。在这种情况下， 可考虑在输入端采用恒流源补偿。输 入电阻随温度

15、变化而引起控制电流的 变化极小，减少了输入端温度影响。 三、霍尔元件测量误差和补偿 7.2 霍尔式传感器 2、温度误差及补偿方法 （4）热敏电阻补偿 对于用温度系数大的半导体材 料制成的霍尔元件，常采用热敏电阻 进行补偿。 霍尔输出随温度升高而下 降，只要能使控制电流随温度 升高而上升，就能补偿。 R R R R t t 输入回路补偿：在输入回 路串入热敏电阻，当温度上升 时其阻值下降，从而使控制电 流上升。 EXIT 传感器原理及应用 三、霍尔元件测量误差和补偿 7.2 霍尔式传感器 2、温度误差及补偿方法 （4）热敏电阻补偿 输出回路补偿：在负载RL上的 霍尔电势随温度上升而下降的量被热

16、敏电阻阻值减小所补偿。 实际使用热敏电阻补偿时，热 敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠 近，温度变化一致。 （5）电桥补偿 调节电位器W1可消除不 等位电势。电桥由温度系数低 的电阻构成，在某一桥臂电阻 上并联一热敏电阻。 R RL L R R R R t t w w1 1 w w2 2 E E1 1 w w3 3 R R2 2 R R3 3 R R4 4 R R1 1 E E2 2 R R t t U U HtHt EXIT 传感器原理及应用 （1） 霍尔电压的温度稳定性好 最大优点是在恒流工作时温度 稳定性好，温度变化10，输出电压 变化不超过 -0 .6。 （2） 输出线性好 最大误差只有2%。完全可以满 足一般的