第6章磁电式传感器课件.ppt
8.1 磁电感应式传感器8.2 霍尔式传感器 8.3 磁敏传感器,第8章 磁电式传感器,磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应，或磁阻效应等电磁现象，把被测物理量的变化转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等参数测量。按电磁转换机理的不同，磁电式传感器可分为磁电感应式传感器，霍尔式传感器，和磁阻效应传感器等。广泛用于建筑，工业等领域中振动，速度，加速度，转速，转角，磁场参数等的测量。,第8章 磁电式传感器,第8章 磁电式传感器,8.1 磁电感应式传感器（电动式）8.1.1 工作原理,根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。,第8章 磁电式传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。,第8章 磁电式传感器,8.1 磁电感应式传感器（电动式）8.1.2 基本特性,电压灵敏度：,由 可得；传感器灵敏度：(常数),电流灵敏度:,第8章 磁电式传感器,8.1 磁电感应式传感器（电动式）,根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场,运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,恒磁通式,第8章 磁电式传感器,8.1 磁电感应式传感器（电动式）8.1.3 恒磁通磁电感应式传感器的应用,恒磁通电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：动钢型（线圈与壳体固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势。,第8章 磁电式传感器,8.1 磁电感应式传感器（电动式）8.1.3 磁电感应式传感器的应用,动钢型,动圈型,适用于振动、转速、扭矩等测量。,第8章 磁电式传感器,8.1 磁电感应式传感器（电动式）8.1.3 变磁通磁电感应式传感器的应用,线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。,第8章 磁电式传感器,8.1 磁电感应式传感器（电动式）8.1.3 磁电感应式传感器的应用,信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.1 霍尔效应,霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.1 霍尔效应,霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势UH。这种现象称霍尔效应。,霍尔电势可用下式表示:,式中 RH霍尔常数（m3C-1）I控制电流（A）B磁感应强度（T）d霍尔元件的厚度（m）令KH=RH/d（VA-1Wb-1m2）,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.1 霍尔效应,霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.4 霍尔传感器的应用,维持I、kH 不变，则传感器的输出EH=f（B），这方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等;维持I、B不变，则传感器的输出EH=f（kH），这方面的应用有角位移测量仪等。维持kH不变，则EH=f（IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,8.2 霍尔式传感器8.2.4 霍尔传感器的应用,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔元件符号,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.4 霍尔传感器的应用,(1)位移测量(2)测转速(3)计数装置(导磁产品),检缺口 检齿,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔传感器位移测量原理,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.4 霍尔传感器的应用,第8章 磁电式传感器,8.2 霍尔式传感器8.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔压力传感器结构原理,测转角：,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,铁磁材料裂纹检测,案例：汽车速度测量:,第8章 磁电式传感器,8.3 磁敏传感器8.3.1 磁敏电阻器,磁阻效应：载流导体置于磁场中,除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大 的现象称磁阻效应。,式中 B 磁感应强度为B时的电阻率；0 零磁场下的电阻率；电子迁移率；B 磁感应强度。当电阻率变化为B-0时，则电阻率的相对变化为：/0=0.2732B2=K2B2。由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。,磁阻效应表达式：,第8章 磁电式传感器,8.3 磁敏传感器,磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化,上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。,第8章 磁电式传感器,8.3 磁敏传感器,第8章 磁电式传感器,8.3 磁敏传感器,磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。,磁敏元件,磁敏传感器主要有：磁敏电阻磁敏二极管磁敏三极管霍尔式磁敏传感器,第8章 磁电式传感器,8.3 磁敏传感器8.3.1 磁敏电阻器,由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱,但仍然存在。磁阻元件的电阻与形状有关：,长方形样品 扁条状长形 圆盘样品,第8章 磁电式传感器,8.3 磁敏传感器8.3.1 磁敏电阻器,长方形样品：霍尔电场作用FH,电阻变化很小。扁条状长形：霍尔电势EH很小,电流磁场作用偏转 厉害，效应明显。圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电 极，路径增大电阻增加。在圆盘中任何地 方都不会积累电荷也不会产生霍尔电场。为了消除霍尔电场影响获得大的磁阻效应,一般将磁敏电阻制成圆形或长方形。,第8章 磁电式传感器,8.3 磁敏传感器8.3.1 磁敏电阻器,磁敏电阻与霍尔元件属同一类,都是磁电转换元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料(磁铁)并用才具有识别磁极的能力.,磁敏电阻的输出特性,案例：转速测量,第8章 磁电式传感器,本章要点：磁电感应式传感器（电动式）工作原理、基本特性和应用；霍尔式传感器原理、霍尔传感器的应用、霍尔集成传感器；磁敏传感器，磁敏电阻器、磁敏二极管、磁敏三极管。,
