磁电式传感器应用

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1、http:/http:/传感器原理及应用传感器原理及应用大庆石油学院传感器原理及应用主讲人：康朝海http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用主要内容：4.1 磁电感应式传感器 4.2 霍尔式传感器 4.3 磁敏传感器 传感器基础传感器基础第第4 4章章 磁磁电式传感器电式传感器http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用概述概述 磁电式传感器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。工作 时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转

2、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。磁电式传感器机械能电 量http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用概 述 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。磁敏传感器磁学量

3、电信号http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速磁电传感器概 述http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1 磁电感应式传感器（电动式 ）vv 根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁 力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈 的磁通变化率有关。 4.1.1 工作原理http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.14.1.1 工作原理工作原理根据以

4、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。 恒磁通式http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.2 基本特性电压灵敏度： 由 可得；传感器灵敏度： (常数)电流灵敏度:http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用 电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种： 动钢型（线圈与壳体固定） 动圈型（永久磁铁与

5、壳固定） 磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势 。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用动钢型动圈型http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用 磁电式振动传感器的特性： 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要 静止的基准参考，可直接装在被测体上。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出。 速度传感

6、器的输出电压正比于速度信号 ，便于直接放大。 输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用n 信号输出送测量电路信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移； 接

7、入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.1.3 磁电感应式传感器的应用积分电路输出微分电路输出 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2 霍尔式传感器 实际应用中磁敏元 件主要用于检测磁场 ，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http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.

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； 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。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄 片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B 的磁场，在薄片的

9、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 。 通电的导体（半导体） 放在磁场中，电流I与磁 场B方向垂直，在导体另 外两侧会产生感应电动 势，这种现象称霍尔效 应。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应 在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： 霍尔电场霍尔电场作用于电子的力http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应 当两作用力相等时电荷不再向两边

10、积累，达到动态平衡：通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n， 电子运动速度v，薄片横截面积 b*d 有关： 霍尔电势：http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应代入后：霍尔常数 与材料有关霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.1 霍尔效应讨论：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； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。 半导体

11、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）。 v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。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.2 霍尔传感器基本电路 霍尔晶体外形矩形薄片有四根 引线，两端加激励两端为输出； 电源E，控制电流I； 负载RL，R可调保证控制电流， 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与I或B成正比关系。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统

12、应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (1)不等位电 势 当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上 霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0，这时测得的空载电 势称不等位电势U0。产生的原因：霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用u不等位电势的补偿 4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (1)不等位电势 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.3 霍尔传感器

13、的误差及补偿 (2)温度误差及补 偿 霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。 当温度T变化时，载流子浓度n、迁移率、电阻率 ，霍尔系数RH 都会变化。以下是几种补偿方法： 恒流源补偿： 由 UH=KHIB 可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数 KH = RH/d = /d也是温度的函数：http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用u具体补偿方法: 在霍尔元件上并联一Rp分流， 当T增大时Ri增大UH 增大 IH 减小Ip增大UH 下降， Rp 自动加强分流，使Ip 增大 IH 下降UH下降,补偿电阻 Rp可选择负温度系数.4.2.3 霍尔传感器的误差及补偿 (2)温度误差及补 偿http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用4.2.4 霍尔传感器的应用霍尔元件符号 http:/http:/集散控制系统应用集散