第五章磁电式传感器课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五章 磁电式传感器,定义,：,磁电式传感器是利用磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。,磁电作用,：,所有的磁信号与电信号之间相互作用的现象。,第一节 磁电感应式传感器,一、,磁电感应式传感器工作原理,根据电磁感应定律， 当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为,式中,:,B,稳恒均匀磁场的磁感应强度；,l,导体有效长度；,v,导体相对磁场的运动速度,N,线圈匝数,；,当一个,N,匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为,，则线圈内的感应电势,e,与磁通变化率,d,/d,t,有如下关系：,根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。,（一）恒定磁通式,（二）变磁通式,变磁通式磁电传感器结构图,（,a,）,开磁路 （,b,）,闭磁路,图（,a,）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个,齿，齿,的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次,，线圈,中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,图（,b,）为,闭磁路变磁通式传感器,，被测旋转体,1,带动椭圆形测量齿轮,2,在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路的磁阻也周期性的变化，磁通同样周期性的变化，则在线圈,3,中产生感应电动势，其频率,f,与测量齿轮,2,的转速,n,成正比，即,f=n/30,。,二、,磁电感应式传感器的应用,动圈式振动速度传感器,1,、芯轴,2,、外壳,3,、弹簧片,4,、铝支架,5,、永久磁铁,6,、线圈,7,、阻尼环,8,、引线,上图是动圈式振动速度传感器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时， 传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。,第二节 霍尔式传感器,一、工作原理,霍尔效应： 金属或半导体处于磁场中，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的现象。,11,设,霍耳片的长度为,l,，宽度为,w,，厚度为,d,。又设电子以均匀的速度,v,运动，则在垂直方向施加的磁感应强度,B,的作用下，它受到,洛仑兹力,q,电子电量,(1.6210-19C),；,v,电于运动速度,。,同时,，作用于电子的电场力,当达到动态平衡时,12,霍耳电势,U,H,与,I,、,B,的乘积成正比，而与,d,成反比。于是可改写成：,电流密度,j=,nqv,n,N,型半导体中的电子浓度,N,型半导体,P,型半导体,R,H,霍耳系数，由载流材料物理性质决定。,材料电阻率,p,P,型半导体中的孔穴浓度,载流子迁移率,=,v,/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。,13,设,K,H,=,R,H,/ d,K,H,霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。,若磁感应强度,B,的方向与霍耳器件的平面法线夹角为,时，霍耳电,势,应为：,U,H,K,H,I B,U,H,K,H,I B,cos,讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件。,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率,的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数,R,H,，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。,N,型材料电阻率,P,型材料电阻率,二、霍尔元件,1,、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路,器件电流,(,控制电流,或输入电流,):,流入到器件内的电流。,电流端子,A,、,B,相应地称为器件,电流端,、控制电流端或输入电流端。,霍耳输出端的端子,C,、,D,相应地称为,霍耳端,或输出端。,若霍耳端子间连接负载,称为霍耳,负载电阻,或霍耳负载。,电流电极间的电阻，称为,输入电阻,，或者控制内阻。,霍耳端子间的电阻，称为,输出电阻,或霍耳侧内部电阻。,16,控制电流,I,；,霍耳电势,U,H,；,控制电压,E,；,输出电阻,R,2,；,输入电阻,R,1,；,霍耳负载电阻,R,3,；,霍耳电流,I,H,。,图中控制电流,I,由电源,E,供给,R,W,为调节电阻,保证器件内所需控制电流,I,。霍耳输出端接负载,R,3,R,3,可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场,B,垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,V,H,R,3,V,B,I,E,I,H,霍耳,器件的基本电路,R,实际使用时,器件输入信号可以是,I,或,B,，或者,IB,而输出可以正比于,I,或,B,或者正比于其乘积,IB,。,R,3,R,W,三、霍尔元件的误差及其补偿,1,、零位误差及补偿方法,零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时出现的霍尔电势。主要为不等位电势。,分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用,分析电桥平衡来补偿不等位电势,。,不等位电势补偿电路,寄生,直流,电动势,：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不平衡电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。,其产生的原因有： , 激励电极与霍尔电极接触不良， 形成非欧姆接触， 造成整流效果； , 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同， 散热状态不同而形成极间温差电势。 ,寄生直流电势一般在,1mV,以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。,2,、温度误差,及补偿方法,（,1,）采用恒流源供电和输入回路并联电阻,为了减小霍尔元件的温度误差， 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由,U,H,=,K,H,IB,可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流,I,的变化的影响。,霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、 迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。,霍尔元件的灵敏系数,K,H,也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成,K,H,=K,H0,(1,+,T,),式中：,K,H0,温度,T,0,时的,K,H,值； ,T,=,T-T,0,温度变化量； ,霍尔电势温度系数。,（,0,）,恒流温度补偿电路,大多数霍尔元件的温度系数,是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加,T,倍。 但如果同时让激励电流,I,s,相应地减小， 并能保持,K,H,I,s,乘积不变，也就抵消了灵敏系数,K,H,增加的,影响。下图就是,按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中,I,s,为恒流源，分流电阻,R,p,与霍尔元件的激励电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻,R,p,自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流,I,H,，从而达到补偿的目的。,在上图所,示的温度补偿电路中，设初始温度为,T,0,，霍尔元件输入电阻为,R,i0,，灵敏系数为,K,H0,，分流电阻为,R,p0,，根据分流概念得,当温度升至,T,时，电路中各参数变为,式中：,霍尔元件输入电阻温度系数； ,分流电阻温度系数。,（,1,）,（,2,）,（,3,）,则,（,4,）,虽然温度升高了,T,，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、 后的霍尔电势不变，即,U,H0,=,U,H,，则,K,H0,I,H0,B,=,K,H,I,H,B,有,K,H0,I,H0,=,K,H,I,H,将式,（,0,）,、,（,1,）、,（,4,）代入上式，经整理并略去,(,T,),2,高次项后得,（,7,）,当霍尔元件选定后，它的输入电阻,R,i0,和温度系数,及霍尔电势温度系数,是确定值。由式,（,7,）即可计算出分流电阻,R,p0,及所需的温度系数,值。为了满足,R,p0,及,两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。,（,2,）合理选取负载电阻,R,L,的阻值,霍尔元件的输出电阻,o,和霍尔电动势,都是温度的函数，当霍尔元件接有负载,R,L,时，在,R,L,上的电压为,其中,温度为,t,0,时的霍尔元件输出电阻。,为使负载上的电压不随温度而变化，应使 ，即得,可采用串、并联的方法使上式成立来补偿温度误差。,热敏电阻,R,t,具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数。,a,、,b,、,c,图中霍尔输出具有负温度系数。,d,图为用,R,t,补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差。,（,3,）采用温度补偿元件,桥路补偿,电路,（,4,）不等位电动势,U,o,的温度补偿,四、应用,1,、霍尔,式微位移传感器,上图是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置， 霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度,B=0,， 因此霍尔元件输出的霍尔电势,U,H,也等于零，此时位移,x,=0,。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时,U,H,不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器， 其动态范围可达,5 mm,，分辨率为,0.001mm,。,2,、霍尔式转速传感器,转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。,