《磁电传感器》课件

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1、5.1 磁电式传感器,基本原理： 利用电磁感应原理，将输入(如振动、转速、扭矩运动速度)转换成线圈中感应电动势输出的传感器。,特点： 有源传感器：不需要提供电源; 如振动、转速、扭矩 具有双向转换特性; 具有较大的输出功率; 只适用于动态测量。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.1 磁电式传感器的工作原理,由法拉第电磁感应定律，当N匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈的感应电动势E为：,线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：,B：磁场磁

2、感应强度；l:每匝线圈的有效长度 ：运动方向与磁场方向之间的夹角； v:线圈与磁场之间的相对运动速度，m/s,线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电势为：,S：每匝线圈的围成的面积 ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角； :线圈与磁场之间的相对运动角速度,两种基本类型,恒定磁通式： 工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。 变磁通式： 磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产生，如图示转速测量：,1一永久磁铁 2一软磁铁 3一感应线圈 4一测量齿轮,不同类型的磁电式传感器,磁通量的变化实现办法: 磁铁与线圈之间作相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场

3、中线圈面积的变化. 直接应用：测定速度 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.2 动圈式磁电传感器,1. 动圈式磁电传感器原理 2. 动圈式磁电传感器结构,永久磁铁,线圈,弹簧,1. 动圈式磁电传感器原理,传感器原理,如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的， 则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势：,当90，线圈的感应电动势为：,当N、B和la恒定不变时，E与=dx/dt成正比， 根

4、据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。,动圈式演示,动圈式振动传感器结构,弹簧片,阻尼杯,磁钢,芯轴,壳体,线圈,引线,2. 动圈式磁电传感器结构,磁电式传感器构成： 1、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁； 2、线圈 由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。,1弹簧 ; 2壳体; 3阻尼环; 4磁钢;5线圈; 6芯轴,在测振时，传感器固定或紧压于被测物体，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动。 装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在

5、磁场中运动。,动圈式传感器结构：,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体,用途：用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度。,直接式振动传感器,连接方式：壳体固定于一部件上，线圈与顶杆相对固定，而顶杆与另一部件相接触，依靠弹簧片回复原位。当两部件相对运动时，使线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.3 磁阻式磁电传感器,线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，

6、因而改变贯穿线圈的磁能量，在线圈中产生感应电动势。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。 结构：开磁路、闭磁路,开磁路磁阻式转速传感器,1永久磁铁 3感应线圈 2软铁 4齿轮,结构比较简单，但输出信号较小， 当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。,闭磁路磁阻式转速传感器,闭磁路磁组式转速传感器,采用在振动强的场合，有下限工作频率（50Hz ） 传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，,5.1.1 磁电式传感器的工作原理 5.1.2 动圈式磁电传感器 5.1.3 磁阻式磁电传感器 5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5

7、.1.4 磁电式传感器的动态特性,一个二阶系统。 Vo为传感器外壳的运动速度，即被测物体运动速度； Vm为传感器惯性质量块的运动速度。,等效机械系统,若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度,幅频特性 相频特性,式中，被测振动的角频率； n传感器运动系统的固有角频率 传感器运动系统的阻尼比,运动方程,磁电式速度传感器的频率响应特性曲线,只有n的情况下，Av()1， 相对速度V(t)的大小才可以作为被测振动速度V0 (t) 的量度。 因此磁电式速度传感器的频率较低，一般为1015Hz。,测量振动速度的原理,相对运动速度V（t）就是前面的线圈相对磁场的运动速度dx/dt.,传感器的输出电势E与相对

8、速度V（t）成正比， 而V（t）可以度量被测振动速度V0（t）， 所以电势E也可以度量V0（t）。,End the 5.1,物理现象观察,霍尔效应,当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图所示。,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,实例,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。,发现：1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,发展：由于金

9、属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。,应用：霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等 方面的测量。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,5.2.1 霍尔传感器工作原理,在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。,当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图1所示。这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动

10、势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fL fL=evB (1) 偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE fE=eEH=eUH /b (2) 平衡时， fL = fE，即 evB= eUH /b (3) 由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度 )，则电流强度为 I=-nevbd (4) 所以 (5) 式中，d霍尔片厚度；n电子浓度； RH=1/ne霍尔系数；KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,1. 霍尔效应,材料、尺寸确定的元件,KH保持常数。 UH

11、仅与IB成正比。,(7),(8),当磁场改变方向时, UH 也改变方向，实际作用于元件上有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos。,(9),5.2.1 霍尔传感器工作原理,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度： 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小， 所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高， 因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基

12、本电路 5.2.3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,霍尔元件命名、材料及结构,从式(3) evB= eUH /b (3) RH=1/ne霍尔系数；KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度 知，霍尔电压UH与载流子的运动速度v有关，即与载流子的迁移率有关。 由于= v/El(El为电流方向上的电场强度)，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为 RH= (6),霍尔元件命名、材料及结构,KH=RH/d(为提高霍尔灵敏度，选择材料的霍尔系数RH尽可能大，d尽

13、可能小) (d太小，导致元件的输入输出电阻增加) RH= 金属导体：大，但小（n大）； 绝缘体：大（n小），但小； 它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。 半导体：、适中适宜作霍尔元件。 对于导体，霍尔系数一般较小，故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高.,霍尔元件命名、材料及结构,霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH越大，UH越大。 霍尔灵敏度主要取决于元件的性质和尺寸。 和越大 ， RH=越大， UH越大。 元件的厚度d越小， KH越大，UH越大。,(8),RH= （6）,(9),霍尔元件命名、材料及结构,图2 霍尔元件示意图 a)原理图；b)结构图；c)图形符号；d)外形图,霍尔元

14、件命名、材料及结构,霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的悍上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如图2b所示,霍尔元件是一种四端元件,霍尔元件命名、材料及结构,敏感元器件及传感器的型号命名方法由以下四部分组成： 第一部分主称（用字母表示） 第二部分类别或材料（用字母或数字表示） 第三部分特征（用字母或数字表示） 第四部分序号和区别代号（用数字加字母表示）,霍尔元件命名,第一部分:H代表霍尔元件 第二部分:类别或材料(Z、S、T) 第三部分:序号,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理 5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路 5.2.

15、3 霍尔元件的主要特性参数 5.2.4 霍尔元件误差及补偿 5.2.5 霍尔式传感器的应用,输入电阻Ri和输出电阻Ro Ri是指控制电流极之间的电阻值。 R0指霍尔元件电极间的电阻。 Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。 Ri Ro，Ri、Ro=1002000。 额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为10时，所对应的激励电流称为额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制，所对应的激励电流称为最大允许激励电流Imax。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：,不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位置的磁感应强度为零，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。 产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良（部分接触）等原因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位电势。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：,霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数：,霍尔灵敏系数KH 在单位控制电流和单位磁感应强度作