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1、材料成型测试技术,第8节 磁电式传感器,太原理工大学,8.1 磁电感应式传感器 8.2 霍尔式传感器 8.3 磁电感应式传感器的应用,第8节 磁电式传感器,概述,导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出； 磁电式传感器就是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。 磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低，通常在10100HZ，适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。,(一) 工作原理与结构,根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动
2、切割磁力线，线圈内产生感应电动势e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。,式中：B 磁感应强度， N0线圈匝数， L 每匝线圈长度， V 运动速度,8.1 磁电感应式传感器,由 磁电式传感器灵敏度：,电流灵敏度:,电压灵敏度：,根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,(一) 工作原理与结构,8.1 磁电感应式传感器,图为开磁路变磁通式：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
3、应电势，其变化频率等于被测转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，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,(一) 工作原理与结构,8.1 磁电感应式传感器,图为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。,(一) 工作原理与结构,8.1 磁电感应式传感器,磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙
4、固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式。 当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（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，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。,恒 磁 通 式,(一) 工作原理与结构,8.1 磁电感应式传感器,(二) 基本特性与误差分析,当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流Io为,传感器的电流灵敏度为,当传感器的工
5、作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为,（9-1）,8.1 磁电感应式传感器,1. 非线性误差 磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通I，此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, 如图所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势e和较大的电流I，由此而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， 从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感应电势e、线圈感应电
6、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。 其结果是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，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。 显然，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。,(二) 基本特性与误差分析,8.1 磁电感应式传感器,传感器电流的磁场效应,1. 非线性误差,(二) 基本特性与误差分析,8.1 磁电感应式传感器,2. 温度误差 当温度变化时，式（9-1）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B每摄氏度的变化
7、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，这样由式（9-1）可得近似值如下：,(二) 基本特性与误差分析,8.1 磁电感应式传感器,2. 温度误差,(二) 基本特性与误差分析,这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。 它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。 当温度升高时， 热磁分流器的磁导率显著下降，经它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。,8.1 磁电感应式传感器,实际应用中磁敏元件主要用于检测磁
8、场，而与人们相关的磁场范围很宽，一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到 高斯。,磁场强度与磁场源的分布,8.2 霍尔式传感器,测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机 电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场； 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 利用超导效应传感器，SQVID 约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。,8.2 霍尔式传感器,霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 随着半导体技
9、术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,8.2 霍尔式传感器,(一)霍尔效应,1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。,把一个导体（半导体薄片）两端通以电流I，在垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。 或通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体
10、另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。,8.2 霍尔式传感器,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。,8.2 霍尔式传感器,在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：,霍尔电场作用于电子的力,霍尔电场,当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：,8.2 霍尔式传感器,霍尔电势：,通过（半）导体薄片的电流I与下列因素有关： 载流子浓度n，电子运动速度v，导体薄片横截面积 b*d， e 为电子电荷量。,代入后：,与材料有关,霍尔常数,霍尔电势与电流和磁场强度的乘
11、积成正比,与薄片尺寸有关,霍尔灵敏度,式中：电阻率、n电子浓度 电子迁移率=/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。,8.2 霍尔式传感器,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos,结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,8.2 霍尔式传感器,讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可
12、以制造霍尔元件; 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小; 半导体材料电阻率较大 RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用 N 型半导体（多电子）; 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d1m) 。,8.2 霍尔式传感器,(二) 霍尔元件的基本结构与基本测量电路,1. 霍尔元件基本结构,霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图（a）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1两根引线加激励电压或电流，称
13、激励电极（控制电极）； 2、 2引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。 在电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图（b）所示。,8.2 霍尔式传感器,国产霍尔元件别号的命名方法如下：,常见的国产霍尔元件型号有HZ1、HZ2、HZ3、HT1、HT2、HS1等。,8.2 霍尔式传感器,2. 霍尔传感器基本测量电路,霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线， 两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻 ； 电源E通过R控制激励电流I； B 磁场与元件面垂直（向里） 实测中可把I*B作输入， 也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。 输出Uo
14、与I或B成正比关系，或与I*B成正比关系。,8.2 霍尔式传感器,霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来，如图所示，在这种连接方法中，激励电流极应该是并联的，如果将其接成串联，霍尔元件将不能正常工作，虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。,2. 霍尔传感器基本测量电路,8.2 霍尔式传感器,(三)霍尔元件的主要技术参数,(1) 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用
15、中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。,8.2 霍尔式传感器,(2） 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。 以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。,(三)霍尔元件的主要技术参数,8.2 霍尔式传感器,(3） 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 产生这一现象的原因有： 霍尔电极安装位置不对称或
16、不在同一等电位面上； ,(三)霍尔元件的主要技术参数,8.2 霍尔式传感器, 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； , 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,(三)霍尔元件的主要技术参数,8.2 霍尔式传感器,(4） 寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接触， 造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。,(三)霍尔元件的主要技术参数,8.2 霍尔式传感器,(四)测量误差及误差的补偿,1. 霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势， 而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等
