第6章磁电式传感器课件

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1、,第6章 磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器,6.1.1 工作原理 N匝线圈在磁场中作切割磁力线运动或线圈所在磁场的磁通发生变化时，线圈中所产生的感应电动势为,当线圈垂直于磁场方向运动时，若以线圈相对磁场运动的速度V或角速度表示，则上式可写成,在传感器中，当结构参数确定后，B、L、N、S均为定值，因此感应电动势与V（或）成正比。,1恒磁通式传感器 在测量过程中，传感器的线圈部分相对于永磁体位置发生变化而实现测量，线圈3与软弹簧片2固定在一起，永磁体4与传感器壳体5固定在一起。当把传感器与被测振动物体绑定在一起，壳体便随着振动物体一起振动。,当被测振动物体的振动频率足够高时，运动部件会由于惯

2、性很大而来不及与物体一起振动，几乎静止不动，于是永磁体与线圈之间的相对运动速度近似于振动物体的振动速度，这样一来，线圈与磁体的相对运动使线圈中产生感应电动势。,2变磁通式传感器 变磁通式传感器主要是通过改变磁路的磁通大小来进行测量的。1是被测旋转轴，齿形铁芯2与软铁4相对，3是线圈，永磁体5通过软铁4与2构成磁路。被测旋转体转动时，齿轮凸凹部分与软铁间的间隙大小不断发生变化，从而使线圈中的磁通不断变化，线圈中则产生感应电动势信号。,图6-1 恒磁通式传感器结构原理,图6-2 变磁通式传感器结构原理图,6.1.2 测量电路 磁电式传感器可以直接输出感应电动势信号，磁电式传感器只适用于动态测量，可

3、直接测量振动物体的速度或旋转体的角速度。如果在测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。图6-3所示是磁电式传感器一般测量电路方框图。,图6-3 磁电式传感器一般测量电路方框图,6.1.3 应用举例 1磁电感应式振动传感器 永久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2，工作线圈和圆环形阻尼器用同心轴5连接在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。,使用时，将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架、壳体一起随被测体振动，由于质量块的惯性，产生惯性力，当

4、振动频率远大于传感器的固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过引线9输出到测量电路。,同时良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。,2磁电感应式转速传感器 图中齿形圆盘2与转轴1固紧。转子2和软铁4、定子5均用软铁制成，它们和永磁体3组成磁路系统。转子2和定子5的环形端面上都均匀地分布着齿和槽，两者的齿、槽数对应相等。,测量转速时，传感器的转轴1与被测物体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小，磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对

5、时，气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与转速成正比例关系。,图6-5 磁电感应式转速传感器,3磁电感应式扭矩传感器 在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电感应式传感器。它由永久磁铁、线圈和铁芯组成。,永久磁铁产生的磁通与齿形圆盘交链，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中产生出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转速的乘积。,图6-6 磁电式扭矩传感器工作原理图,（6-4） 当被测转轴有扭矩作用时，轴的两端产生扭角，两个传感器就输出一定附加相位差的感

6、应电压U1和U2，这个相位差与扭角成正比。这样传感器就把扭矩引起的扭转角转换成相应变化的电信号。,6.2 霍尔式传感器,6.2.1 霍尔效应及霍尔元件 1霍尔效应 金属或半导体薄片在磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势。,霍尔电场强度为 洛仑兹力fL的大小为 fL=eBv,该电场的电场力又阻碍电子的偏移，当电场力与洛仑兹力相等时，即 eEH=eBv 则 EH=Bv,若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流 I=nevbd，则,得,式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密

7、度，则 （6-12） 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。,2霍尔元件基本结构 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。,图6-8 霍尔元件,3霍尔元件基本特性 （1）输入电阻和输出电阻 霍尔元件激励电极之间电阻为输入电阻，霍尔电极输出电势对于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。,（2）额定激励电流 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。 （3）不等位电势UO,霍尔元件在额定激励电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电势的理想值应为零，但实际不等于零，此时的空载霍尔电势称为不等位电

8、势。原因有以下几方面。, 由于存在电极的安装位置不对称； 半导体材料电阻率不均衡或几何尺寸不均匀； 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 （4）霍尔电势的温度特性 当温度升高时，霍尔电势减小，呈现负温度特性。,6.2.2 霍尔元件的应用 1霍尔式微量位移的测量 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时，霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感应强度B是位置x的函数，即 UH=kx （6-13） 式中：位移传感器灵敏度。,则霍尔电压的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。当霍尔元件在磁场中移动时，输出霍尔电压U的变化就反映了霍尔元件的位移量x。利用上述原理可对微量位移进行测量。 动态范围可达5mm，当位

9、移小于2mm时，输出霍尔电压与位移之间有良好的线性关系。传感器的分辨率为0.001mm。,图6-9 霍尔式位移传感器的工作原理图,2霍尔元件在转速测量上的应用 利用霍尔元件测量转速的工作原理非常简单，将永久磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔元件置于磁铁的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有转速的信息，该电压经后续电路处理，便可得到转速的数据。如图6-10（a）、（b）是两种测量转速方法的示意图。,图6-10 几种霍尔式转速传感器的结构,3霍尔式接近开关 利用霍尔效应可以制成开关型传感器。广泛应用于测转速、制作接近开关等。霍尔式接近开关主要由霍尔元件、放大电路、整形电路、输出驱动及稳

10、压电路5部分组成。 由工作特性曲线可见，工作时具有一定的磁滞特性，可以使开关更可靠工作。图中BH为工作点“开”的磁场强度，BL为释放点“关”的磁场强度。,4构成金属计数器 应用于计数的霍尔接近开关原理图。当带磁性的物体接近霍尔元件时，霍尔元件就输出一个脉冲电压，经过放大整形后驱动光电管工作，计数器便进行计数，并由显示器进行显示。,图6-12 霍尔式接近开关应用于计数电原理图,本 章 小 结 （1）磁电式传感器是利用磁的变化将被测量的振动、位移、转速等物理量转换成电学量的一种传感器，本章重点讲解磁电感应式传感器的工作原理及应用。,（2）霍尔式传感器是利用半导体在磁场中的霍尔效应制成的一种传感器。

11、本章重点介绍霍尔效应、霍尔元件电路符号、基本电路及其应用举例。,思考题和习题 6-1 为什么说磁电感应式传感器是一种有 源传感器？ 6-2 磁电式传感器有哪几种类型？简述它 们的工作原理。 6-3 磁电式传感器与电感式传感器有哪些 不同？磁电式传感器能够测量的物理 量有哪些？,6-4 什么是霍尔效应？简述其构成及主要 的应用范围。 6-5 霍尔电动势的大小与方向和哪些因素 有关？影响霍尔电动势的因素有哪 些？霍尔元件能够测量的物理量有哪 些？霍尔元件的不等位电压概念是什 么？ 6-6 霍尔传感器有哪几方面的应用？,实训5 霍尔式传感器在直流激励下性能测试 与标定 一、实验目的 （1）通过实验加

12、深对霍尔元件工作原理的理解。 （2）了解霍尔式传感器的基本结构和外形特征。,（3）掌握这种传感器在直流激励状态下的输出特性情况。 （4）学会对这种传感器的静态位移性能的标定。,二、实验设备和器材 霍尔传感器、直流稳压电源、电桥、差动放大器、数字电压表、测微仪。,三、实验原理 将霍尔传感器固定在梁的自由端，由螺旋测微头来控制梁自由端的位置，以改变霍尔片在磁场中的位置，使它所受到的磁感应强度发生改变，进而改变传感器的输出电压，其输出霍尔电势与元件的位置有关，通过螺旋测微头可对传感器进行电压灵敏度的标定。,图6-13所示为被测信号接受部分，图中1为固定架，用于安装各个可动部件；2是螺旋测微头，可给定

13、标准位移，精度可达0.02mm；3是单端固定的悬臂梁，梁足够长，当测微头向下压时，在小位移的情况下可忽略其水平位移，只考虑其垂直位移；4为霍尔式传感器，与梁固定在一起；5是固定磁极，由它来产生一个呈梯度分布的磁场，其磁感应强度与离开磁极的距离有关；如图6-14所示为信号的处理与显示部分，霍尔元件的输出电压送差动放大器放大后可直接由液晶电压表显示。,图6-13 信号发生装置,图6-14 信号处理电路图,四、实验内容及步骤 （1）观察霍尔传感器的外形构造，进一步弄清其基本工作原理。 （2）将霍尔传感器安装在悬臂梁的自由端，并装好螺旋测微头。,（3）差动放大器增益适中，调整好它的零位后备用。 （4）

14、根据图6-14所给的电路原理图，将霍尔传感器、直流稳压电源、电桥、差动放大器及液晶电压表连接起来，组成一个测量系统。,（5）接好线路后经指导教师检查同意，打开直流稳压电源，激励电压为2V。 （6）转动测微头，使传感器处于环形磁铁的中间，即B=0处，将此处作为测试的起点。,（7）调节电桥网络上的电位器W1，使整个测量系统输出为零，即不等位电势为0。,（8）往下旋动测微头，每次向下移0.5mm作为一个测量间隔，记录下每一次位移的输出电压值将数据填入表6-1中；测微头回零，然后每次向上移动0.5mm,记录输出电压值，填入表6-1中。,（9）根据所得结果在坐标纸上作出VX关系曲线，分析其线性范围。,表6-1输出电压与传感器的位移,