传感器原理-速度传感器磁电霍尔

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,*,速度测量概述,1、转速测量中主要考虑的问题,1）被测物体运动的速度范围,超低速(0.102.00r/min),低速(0.5500r/min),中高速,(2020000r/min),高速(500200000r/min),超高速(500600000r/min),全速(0.10600000r/min),适用的测速,传感器较多,2）被测物体可测点几何形状,例：光轴、齿轮、叶片、带孔、带槽、带销、微型电机,3）环境条件,4）动态/静态时的显示、记录、控制,5）误差、响应时间、输出控制形式,2、转速测量的分类及实现方案,根据传感器安装方式：,1接触式,2非接触式,根据传感器不同：,1磁电,2光电,3霍尔,4磁敏,传感器,测量范围（kHz）,感应对象,检测距离（mm）,应用场合,磁敏传感器,010,铁、电工钢,0.51.5,速度、位移,磁电传感器,505000,电工钢,0.51,速度,霍尔传感器,010,磁铁,15,速度、位移,光电传感器,010,自然光、红外光,115,速度、位移,接近开关,0200Hz,金属,15,速度、位移,3、转速测量电路,1）转速测量仪的基本组成：,2）转速测量基本方法,定数采样,：这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做,测周法,。,定时采样,。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做,测频法,。,频率,电压转换(f/V),频率转速,N=f/分频数,4、转速传感器的选择原则,测量环境 价格,测量范围 可靠性,系统功耗,单位r/min,r/s,一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理,在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。,1、霍尔效应,2、霍尔电势,U,H,K,H,I B,单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。单位是mV/（mAT）,意义：,与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。,若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为：,V,H,K,H,I B,cos,霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。,霍尔电压U,H,为：,式中 n 半导体单位体积中的载流子数,e 电子电量,KH霍尔元件灵敏度，KH1/ned,霍尔器件符号,H,A,B,C,D,A,B,C,D,B,A,C,D,C、D：霍耳输出端，称为,霍尔端,或输出端。,A、B：电极端，称为元件,电流端,、控制电流端或,输入电流端。,红色导线,红色导线,绿色导线,绿色导线,一般为4mm2mm0.1mm,二材料及结构特点,霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。,1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。,2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。,3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。,采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用,。,特点,小结,材料：锗 、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟,灵敏度低、温度特性及线性度好,灵敏度最高、受温度影响大,输入1,输入2,输出1,输出2,磁性顶端,引线,衬底,霍尔元件,溅射工艺制作的,锑化铟霍尔元件,霍尔元件的主要特性参数：,(1)输入电阻和输出电阻,输入电阻：,控制电极间的电阻,输出电阻：,霍尔电极之间的电阻,(2)额定控制电流和最大允许控制电流,额定控制电流：,当霍尔元件有控制电流使其本身在,空气中产生10温升时，对应的控制电流值,最大允许控制电流：,以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值,(3)不等位电势,U,o,和不等位电阻,r,o,不等位电势,：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。,不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r,0,称,不等位电阻,霍尔元件的主要技术指标,四、霍尔元件连接方式和输出电路,1、基本测量电路,特点：,（1）测量磁物理量、电量及其它物理量,（2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件,（3）输出信号的信噪比大,（4）频率范围宽：直流 数百千赫兹,（5）体积小、重量轻,（6）稳定性好、寿命长,2、霍尔元件连接方式,控制电流端并联,输出电势为：2倍,控制电流端串联,次级绕阻叠加输出,E,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,直流供电方式：,交流供电方式：,3、霍尔电势的输出电路,四端器件,输出电势：mV量级,线性应用：比例放大器,线性度好、低噪声放大器,开关应用：射极跟随器,灵敏度高：一般放大器,五、霍尔元件的测量误差及补偿方法,1、零位误差及补偿,半导体固有特性,半导体制造工艺缺陷,零位误差,温度误差,A、B同一等位面：U,0,=0、电桥平衡,A、B非同一等位面：U,0,=0、电桥不平衡,电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻,（a）,（b）,（c）,六、霍尔开关集成传感器,霍尔效应,集成电路技术,开关信号,磁敏传感器,集成霍尔元件,和开关型两大类,可分为线性型,1、结构及工作原理,稳压,材料：硅,工艺：硅平面工艺,提高灵敏度,N型硅外延层很薄,集成工艺,工作原理：,有磁场：V,H,，放大，整形：开启阈值，高电平,VT导通，具有吸收电流的负载能力,磁场减弱：V,H,减小，放大，整形：关闭阈值，,翻转，低电平，VT截止,开状态,关状态,2、工作特性,12,10,8,6,4,2,0,工作点“开”,释放点“关”,磁滞,高,低，开状态,低,高,，关状态,3、接口电路,3020T,外形,应用电路,K,K,4、磁场施加方式,2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20,0.10,0.09,0.08,0.07,0.06,0.05,0.04,0.03,0.02,0.01,0,（1）磁铁轴心接近式,两轴心方向重合,2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20,0.10,0.09,0.08,0.07,0.06,0.05,0.04,0.03,0.02,0.01,0,（2）磁铁侧向滑近式,两平面距离不变，,磁铁轴线与传感器,平面垂直,（3）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度,0 2.5 5 7.5 10,0.10,0.08,0.06,0.04,0.02,六、霍尔线性集成传感器,1、结构及工作原理,输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系,构成：霍尔元件、放大器、稳压、,电流放大输出级、失调调整、线性度调整,稳压,单端输出：SL3501T,双端输出：SL3501M,稳压,2、主要技术特性,-0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3,5.6,4.6,3.6,2.6,1.6,SL3501T 输出特性曲线,0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32,2.5,2.0,1.5,1.0,0.5,0,SL3501M 输出特性曲线,霍尔线性集成传感器的技术参数,七、霍尔传感器的应用,1、霍尔位移传感器,磁场梯度越大，灵敏度越高,磁场梯度越均匀，输出线性越好,测量范围：1 2 mm,2、磁感应强度测量仪,A,SL3501M：,霍尔线性集成传感器,RP,1,：调整表头量程,RP,2,：调零,C,1,：低通滤波,测量上限：0.3 T,3、直流功率测量仪,V,4、转速测量,永磁体安装在轴端,永磁体安装在轴侧,5、测量电流,测量大直流电流（10kA）：电阻器分流,霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场,（1）导线旁测法,（2）导线贯穿磁芯法,简单、测量精度差、,受外界干扰大,环形铁芯集中磁力线，,提高电流测量精度,6、测量表面覆盖层厚度,铁磁性物质,非磁性涂层,0 1 2 3,500,400,300,200,100,7、自动凭票供水装置,控制电路,霍尔式传感器的应用实例,霍尔转速测量,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,霍尔角位移测量,霍尔钳形电流表的使用,叉形,钳形表漏磁稍大，但使用方便,用,钳形表测量 电动机的相电流,实验探究1,若闭合电路中有感应电流,电路中就一定有电动势.,演示实验并播放动画,画出等效电路图,实验探究2：在向线圈中插入条形磁铁的实验中，磁铁的磁场越强、插入的速度越快，产生的感应电流就越大。,实验:电磁感应插磁铁,实验探究3:,一、磁电感应式传感器工作原理,B,：稳恒均匀磁场磁感应强度；,L,：导体有效长度；,V,：导体相对磁场运动速度。,导体在稳恒均匀磁场中运动,N匝线圈处于变化的磁场中,两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。,开磁路变磁通式,：,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。,1、,变磁通式,闭磁路变磁通式：,感应电势的频率与被测转速成正比。,2、,恒定磁通式,2、,恒定磁通式,B,0,：工作气隙磁感应强度；,l,：每匝线圈平均长度；,N,：线圈在工作气隙磁场,中的匝数；,v,：相对运动速度。,二、磁电感应式传感器基本特性,R,f,：测量电路输入电阻；,R,：线圈等效电阻。,传感器的电流灵敏度为,输出电压和电压灵敏度分别为,为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。,提高灵敏度方法：,选用具有磁能积较大的永久磁铁；,尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；,增加,和,N,，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。,三、磁电感应式传感器的测量电路,磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。,四、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,