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1、传感器与检测技术传感器与检测技术白城师范学院白城师范学院机电系机电系主讲：王主讲：王 刚刚Sensor Principle & Detecting Technology第第5 5章章 磁电式传感器磁电式传感器5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器本章要点本章要点下页下页返回返回 磁磁电电式式传传感感器器是是通通过过磁磁电电作作用用将将被被测测量量(如如振振动动、位位移移、转转速速等等)转转换换成成电电信信号号的的一一种种传传感感器器。磁磁电电感感应应式式传传感感器器、霍霍尔尔式式传传感感器器都都是是磁磁电电式式传传感感器器。磁磁电电感感应应式式传传感感器器是是
2、利利用用导导体体和和磁磁场场发发生生相相对对运运动动产产生生感感应应电电势势的的；霍霍尔尔式式传传感感器器为为载载流流半半导导体体在在磁磁场场中中有有电电磁磁效效应应(霍霍尔尔效效应应)而而输输出出电电势势的的。它它们们原原理理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。图库图库5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器下页下页上页上页返回返回|工作原理和结构类型工作原理和结构类型|动态特性分析动态特性分析|测量电路测量电路|磁电感应式传感器应用举例磁电感应式传感器应用举例 磁磁电电感感应应式式传传感感器器也也称称为为电电动动式式传传感感器器，或或感感应应
3、式式传传感感器器。它它是是利利用用导导体体和和磁磁场场发发生生相相对对运运动动而而在在导导体体两两端端输输出出感感应应电电势势的的。因因此此它它是是一一种种机机一一电电能能量量换换型型传传感感器器，不不需需供供电电电电源源，是是直直接接从从被被测测物物体吸取机械能量并转换成电信号输出。体吸取机械能量并转换成电信号输出。图库图库5.1.1 工作原理和结构类型工作原理和结构类型 磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即
4、对时间的变化率，即下页下页上页上页返回返回W-线圈匝数：线圈匝数：-线圈所包围的磁通量。线圈所包围的磁通量。若线圈相对磁场运动为速度若线圈相对磁场运动为速度v或角转度或角转度时，则式时，则式(5-1)可改写为可改写为 e-WBlv 或或 e-WBs在传感器中，当结构参数确定后即在传感器中，当结构参数确定后即B、l、W、s均为定值，那么均为定值，那么感应电势感应电势e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度(v或或)成正比。成正比。 根据上述根据上述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种是原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。恒定磁通式。图图
5、5-1 5-1 变磁通式磁电感应式传感器结构原理图变磁通式磁电感应式传感器结构原理图图图5-2 5-2 恒定磁通路电感应式传感器结构原理图恒定磁通路电感应式传感器结构原理图图库图库下页下页上页上页|机械阻抗机械阻抗 |传递矩阵传递矩阵传感器机械阻抗的传递矩阵传感器机械阻抗的传递矩阵理想传感器的传递矩阵理想传感器的传递矩阵传感器电阻抗的传递矩阵传感器电阻抗的传递矩阵 实际传感器的传递矩阵实际传感器的传递矩阵|传递函数传递函数 磁磁电电感感应应式式传传感感器器只只适适用用于于测测量量动动态态物物理理量量，因因此此动动态态特特性性是是这这种种传传感感器器的的主主要要性性能能。应应用用机机械械阻阻抗抗
6、概概念念分分析析机机械械振振动动系系统统有有很很多多方方便便之之处处。可可以以用用简简单单的的代代数数方方法法解解出出描描述述系系统统动动态态特特性性的的传传递递函数方程，而不必去解微分方程，但分析的结果则完全一致。函数方程，而不必去解微分方程，但分析的结果则完全一致。5.1.2 动态特性分析动态特性分析图图5-3 理想传感器基本框图理想传感器基本框图图图5-4 实际传感器基本框图实际传感器基本框图图图5-5 二阶机械系统和二阶电路系统二阶机械系统和二阶电路系统图图5-6 磁电感应式传感器的二端口网磁电感应式传感器的二端口网络框图络框图图图5-7 磁电感应式传感器二端口网络磁电感应式传感器二端
7、口网络的等效方框图的等效方框图图图5-8 磁电感应式传感器的幅频特性磁电感应式传感器的幅频特性返回返回图库图库5.1.3 测量电路测量电路|测量电路的方框图测量电路的方框图 磁磁电电感感应应式式传传感感器器直直接接输输出出感感应应电电势势。所所以以任任何何具具有有一一定定工工作作频频带带的的电电压压表表或或示示波波器器都都可可采采用用。并并且且由由于于该该传传感感器器通通常常具具有有较较高高的的灵灵敏敏度度，所所以以一一般般不不需需要要增增益益放放大大器器。但但磁磁电电感感应应式式传传感感器器是是速速度度传传感器，如要获取位移或加速度信号，就需配用积分电路或微分电路。感器，如要获取位移或加速度
8、信号，就需配用积分电路或微分电路。|积分电路积分电路|微分电路微分电路图图5-9 磁电感应式传感器测量电路方框图磁电感应式传感器测量电路方框图图图5-10 无源积分电路无源积分电路图图5-11 有源积分电路有源积分电路图图5-12 无源和有源积分电路的对数渐近幅频特性无源和有源积分电路的对数渐近幅频特性图图5-13 一个实用的有源积分电路一个实用的有源积分电路图图5-14 无源微分电路无源微分电路图图5-15 基本有源微分电路基本有源微分电路图图5-16 实用有源微分电路实用有源微分电路图图5-17 有源微分电路的幅频特性有源微分电路的幅频特性下页下页上页上页返回返回图库图库5.1.4 磁电感
9、应式传感器应用举例磁电感应式传感器应用举例下页下页上页上页|磁电感应式振动速度传感器磁电感应式振动速度传感器 |磁电感应式转速传感器磁电感应式转速传感器图图5-18 CD-1型振动速度传感器型振动速度传感器图图5-19 磁电感应式转速传感器磁电感应式转速传感器返回返回图库图库5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器下页下页上页上页返回返回|霍尔效应和霍尔元件材料霍尔效应和霍尔元件材料|霍尔元件构造及测量电路霍尔元件构造及测量电路|霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标|霍尔元件的补偿电路霍尔元件的补偿电路|霍尔式传感器的应用举例霍尔式传感器的应用举例 霍霍尔尔式式传传感感器器是是利利用用霍霍尔尔
10、元元件件基基于于霍霍尔尔效效应应原原理理而而将将被被测测量量、如如电电流流、磁磁场场、位位移移、压压力力等等转转换换成电动势输出的一种传感器。成电动势输出的一种传感器。图库图库霍尔效应和霍尔元件材料霍尔效应和霍尔元件材料下页下页上页上页返回返回|霍尔效应霍尔效应 一块长为一块长为l、宽为宽为b、厚为厚为d的半导体薄片置于磁感应的半导体薄片置于磁感应强度为强度为B的磁场的磁场(磁场方向垂直于薄片磁场方向垂直于薄片)中，如图中，如图5-20所示。当有电流所示。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式这种
11、现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。传感器是由霍尔元件所组成。|霍尔元件材料霍尔元件材料 1锗锗(Ge)，N型及型及P型均可。型均可。 2硅硅(Si)N型及型及P型均可。型均可。3砷化铟砷化铟(InAs)和锑化铟和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性这两种材料的特性很相似。很相似。图图5-20 霍尔效应原理图霍尔效应原理图图库图库5.2.2 霍尔元件构造及测量电路霍尔元件构造及测量电路下页下页上页上页|霍尔元件结构霍尔元件结构:霍尔片霍尔片四极引线四极引线壳体壳体|测量电路测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图霍尔元件的基本测量电路如图5-22所示。所示。 激激励电流由电源励电流由
12、电源E供给，可变电阻供给，可变电阻RP用来调节激用来调节激励电流励电流I的大小。的大小。RL为输出霍尔电势为输出霍尔电势UH的负载的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。的输入阻抗。 图图5-21 霍尔元件霍尔元件 图图5-22 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路返回返回图库图库5.2.3 霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标下页下页上页上页|霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标:额定激励电流额定激励电流IH 使使霍霍尔尔元元件件温温升升10所所施施加加的的控控制制电电流流值值称称为为额额定定激激励励电电流。通
13、常用流。通常用IH表示。表示。输入电阻输入电阻Ri 它它是是指指控控制制电电流流极极间间的的电电阻阻值值。它它规规定定要要在在室室温温(205)的环境温度中测取。的环境温度中测取。 输出电阻输出电阻Rs 它它是是指指霍霍尔尔电电极极间间的的电电阻阻值值。规规定定中中要要求求在在(205)的的条条件下测取。件下测取。不等位电势及零位电阻不等位电势及零位电阻r0 当当霍霍尔尔元元件件通通以以控控制制电电流流IH而而不不加加外外磁磁场场时时，它它的的霍霍尔尔输输出出端端之之间间仍仍有有空空载载电电势势存存在在，该该电电势势就就称称为为不不等等位位电电势势(或或零零位电势位电势)。返回返回图库图库5.
14、2.3 霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标下页下页上页上页|霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标:寄生直流电势寄生直流电势 当当不不加加外外磁磁场场，控控制制电电流流改改用用额额定定交交流流电电流流时时，霍霍尔尔电电极极间间的的空空载载电电势势为为直直流流与与交交流流电电势势之之和和。其其中中的的交交流流霍霍尔尔电电势势与与前前述述零零位位电电势势相相对对应应，而而直直流流霍霍尔尔电电势势是是个个寄寄生生量量，称为寄生直流电势称为寄生直流电势V。热阻热阻RQ 它它表表示示在在霍霍尔尔电电极极开开路路情情况况下下，在在霍霍尔尔元元件件上上输输入入lmW的的电电功功率率时时产产生
15、生的的温温升升，单单位位为为CmW。所所以以称称它它为为热热阻阻是是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。返回返回图库图库5.2.4 霍尔元件的补偿电路霍尔元件的补偿电路下页下页上页上页|不等位电势的补偿不等位电势的补偿 |温度补偿温度补偿 分流电阻法分流电阻法 电桥补偿法测量电路电桥补偿法测量电路 图图5-23 不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路图图5-24 采用分流电阻法的温度补偿电路采用分流电阻法的温度补偿电路图图5-25 桥路补偿法的温度补偿电路桥路补偿法的温度补偿电路返回返回图库图库5.2.5 霍尔式传感器的应用举例霍尔式传感器的应用举例下页下页上页上页|霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器|霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器图图5-26 霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式位移传感器原理示意图图图5-27 霍尔式压力传感器结构原理图霍尔式压力传感器结构原理图及磁钢外形及磁钢外形返回返回图库图库第第5章章 本章要点本章要点|磁电感应式传感器磁电感应式传感器工作原理和结构类型工作原理和结构类型|霍尔式传感器霍尔式传感器霍尔效应和霍尔元件材料霍尔效应和霍尔元件材料霍尔元件构造及测量电路霍尔元件构造及测量电路霍尔元件的补偿电路霍尔元件的补偿电路结束结束上页上页返回返回图库图库
