电磁传感器课件.ppt
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1、传感器原理及应用,第7章 磁电式传感器,主要内容:7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器 7.3 磁敏传感器,概述,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。,概述,霍尔传感器属于磁敏元件,磁敏元件也是基于磁电转换原理,磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展,磁敏元件得到应用和发展,广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医
2、学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点:结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,霍尔传感器测转速,磁电传感器,概述,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.1 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。,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.2 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:,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.1 工作原理,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
3、阻、磁通变化。,变磁通式(a)开磁路(b)闭磁路,恒磁通式,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.3 磁电感应式传感器的应用,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。,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.3 磁电感应式传感器的应用,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.3 磁电感应式传感器的应用,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.3 磁电感应式传感器的应用,动圈式振动速度传感器,71 磁电感应式传感器(电
4、动式)7.1.3 磁电感应式传感器的应用,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.3 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。,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.3 磁电感应式传感器的应用,积分电路输出,微分电路输出,71 磁电感应式传感器(电动式)7.1.3 磁电感应式传感器的应用,磁电式振动传感器的特性:磁电式振动传感器是惯性式传感器,不需要 静止的基准参考,可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器,工作时可不加电压,直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号,便于直接放大。输出阻抗低,对后置电路要求低,干扰小。,
5、7.2 霍尔式传感器 _,实际应用中磁敏元件主要用于检测磁场,而与人们相关的磁场范围很宽,一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能到 高斯。,磁场强度与磁场源的分布,7.2 霍尔式传感器,测磁的方法:利用电磁感应作用的传感器(强磁场)如:磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器;利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件;利用磁作用传感器,磁针、表头、继电器;利用超导效应传感器,SQVID约瑟夫元件;利用核磁共振的传感器,有光激型、质子型。随着半导体技术的发展,磁敏传感器正向薄膜化,微型化和集成化方向发展。,7.2 霍尔式传感器7.2.1 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
6、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。通电的导体(半导体)放在磁场中,电流I与磁场B方向垂直,在导体另外两侧会产生感应电动势,这种现象称霍尔效应。,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,向内侧偏移,在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。,A,B,C,D,7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应,在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧:,霍尔电场,霍尔电场作用于电子的力,7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应,当两作用力相等时电荷
7、不再向两边积累,达到动态平衡:,通过(半)导体薄片的电流I与载流子浓度n,电子运动速度v,薄片横截面积 b*d 有关:,霍尔电势:,7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应,代入后:霍尔常数 与材料有关霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关,7.2 霍尔式传感器7.2.1 霍尔效应,讨论:任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势,但不 是都可以制造霍尔元件 绝缘材料电阻率很大,电子迁移率很小,不适用;金属材料电子浓度很高,RH很小,UH很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率,所以 霍尔元件多采用N型半导体(多电子)。由上式可见,厚度d越小,霍尔灵敏度 KH 越大,所以霍尔元件做的较薄,通常近似1微米。,7
8、.2 霍尔式传感器7.2.2 霍尔传感器基本电路,霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线,两端加激励两端为输出;电源E,控制电流I;负载RL,R可调保证控制电流,B磁场与元件面垂直(向里)。实测中可把I*B作输入,也可把I或B单独做输入。通过霍尔电势输出测量结果。输出Uo与I或B成正比关系。,两种霍尔元件定电压驱动电路,两种霍尔元件定电流驱动电路,7.2 霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势,当霍尔元件通以激励电流I时,若磁场B=0,理论上霍尔电势UH=0,但实际UH不等于0,这时测得的空载电势称不等位电势U0。产生的原因:,霍尔引出电极安装不对称,半导体材料不均匀,7.2
9、霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势 不等位电势的补偿,7.2 霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(2)温度误差及补偿,霍尔元件是半导体元件,它的许多参数与温度有关。当温度T变化时,载流子浓度n、迁移率、电阻率,霍尔系数RH 都会变化。以下是几种补偿方法:恒流源补偿:由 UH=KHIB 可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数 KH=RH/d=/d也是温度的函数:,7.2 霍尔式传感器7.2.3 霍尔传感器的误差及补偿(2)温度误差及补偿,具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流,当T增大时RH增大UH 增大IH 减小Ip增大UH 下降,Rp 自动加强分流,
10、使Ip 增大IH 下降UH下降,补偿电阻Rp可选择负温度系数.,7.2 霍尔式传感器7.2.4 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),7.2 霍尔式传感器7.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔元件符号,7.2 霍尔式传感器7.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔传感器位移测量原理,7.2 霍尔式传感器7.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔压力传感器结构原理,7.2 霍尔式传感器 7.2.4 霍尔传感器的应用,霍尔元件和磁体运动方式,7.2 霍尔式传感器 7.2.4 霍尔传感器的应用,7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器,1 集成霍尔元件,7.2 霍尔式传感器7.2
11、.5 霍尔集成传感器,7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器,开关集成器件(测转速、开关控制、判断N S极性)B、B形成切换回差,这是位置式作用传感器的特点,作无触点开关时可防止干扰引起的误动作。,形成切换回差,霍尔集成电路在一个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其输出电压的电路,而具有磁场-电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。,霍尔集成电路的构造如图。,依输出信号的性质不同,霍尔集成电路可分为线性型和开关性型两类。线性型霍尔集成电路可以获得与磁场强度成正比的输出电压。磁场灵敏度虽然可利用电路的放大加以调节。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、
12、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门(集电极开路输出门)等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时,OC门由高阻态变为导通状态,输出变为低电平;当外加磁场强度低于释放点时,OC门重新变为高阻态,输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。,.,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,OC门,施密特触发电路,双端输入、单端输出运放,霍尔 元件,.,Vcc,开关型霍尔集成电路(OC门输出)的与继电器的连接,7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器,2 应用:无触点开关,2023/1/22,n,=,60,f,4,(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,霍尔接式近
13、开关,直流无刷电机使用永磁转子,在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件,它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时,永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通,给相应的定子绕组供电,产生和转子磁场极性相同的磁场,推斥转子继续转动。到下一位置,前一位置的霍尔器件停止工作,下位的霍尔器件导通,使下一绕组通电,产生推斥场使转子继续转动。如此循环,维持电机的工作。其工作原理示于图。,霍尔开关电路用在直流无刷电机中,2023/1/22,53,无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料;三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号,控制逆变桥各功率管通断,
14、使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩,具有效率高、无火花、可靠性强等特点。,无刷电动机在电动自行车上的应用,2023/1/22,54,55,光驱用的无刷电动机内部结构,霍尔式无刷电动机,7.2 霍尔式传感器7.2.5 霍尔集成传感器,2 应用:天然气点火电路,2023/1/22,57,霍尔式无触点汽车电子点火装置,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,汽车点火线圈,高压输出接头,12V低压电源输入接头,霍尔元件可作为乘法器,7.3 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
15、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。,7.3 磁敏传感器7.3.1 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。,磁阻效应表达式:,7.3 磁敏传感器7.3.1 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,7.3
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