(第6章)磁电式传感器

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1、 第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电感应式传感器6.1霍尔式传感器6.26.1 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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 。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

12、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

13、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

14、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）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V X关系曲线，分析其线性范围。X/mm00.51.01.52.02.53.03.5V/mVV/mV表6-1 输出电压与传感器的位移