磁电式传感器ppt课件

第6章 磁电式传感器,6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器,1,6.1 磁电感应式传感器,磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。 由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。,2,6.1.1 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。,3,当一个W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/dt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。变磁通式又称为磁阻式， 图6-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。,4,图6-1（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。,5,图6-1(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。,6,磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈（动圈式图6-2（a），也可以是磁铁（动铁式图6-2（b），动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。,7,当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线， 从而产生感应电势为,式中：B0工作气隙磁感应强度； l每匝线圈平均长度； W线圈在工作气隙磁场中的匝数； v相对运动速度。,8,6.1.2 磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路时，如图6-3所示，磁电传感器的输出电流Io为,式中： Rf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,9,而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为,当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为,10,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势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般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。,5,11,霍尔效应：置于磁场中的导体（或半导体），当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势（霍尔电势），原因是电荷受到洛伦兹力的作用。,定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当fL=fE时，达到平衡，此时,霍尔系数，材料确定后为常数,灵敏度系数,对于导体，霍尔系数一般较小，故霍耳元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高,6.2 霍尔式传感器,12,一、霍尔元件的工作原理及结构,1霍尔效应,霍尔电压UH为：,式中 n为半导体单位体积中的载流子数,E为电子电量,KH为霍尔元件灵敏度，KH1/ned,结论,13,2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,14,霍尔元件结构,（a）霍尔元件结构示意图 （b）图形符号 （c）外形,15,3基本电路,由于建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12s10-14s之间），因此控制电流为交流时，频率可以很高（几千兆赫）。,注意,16,二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿,1基本参数,（1）输入电阻Ri；,（2）输出电阻R0；,（3）最大激励电流IM；,（4）灵敏度KH；,（5）最大磁感应强度BM；,（6）不等位电势；,（7）霍尔电势温度系数,17,2温度误差及其补偿,霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。,（a）输入回路补偿电路 （b）输出回路补偿电路 （c）正温度系数热敏电阻的补偿电路,原因,处理方法,18,三、集成霍尔元件,集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类,线性型集成霍尔元件,19,开关型集成霍尔元件的外形及内部电路,20,四、霍尔式传感器的应用,21,22,23,霍尔转速测量,24,霍尔特斯拉计（高斯计）,霍尔元件,25,霍尔角位移测量,26,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,27,