《磁电传感器》课件.ppt
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1、5.1 磁电式传感器,基本原理:利用电磁感应原理,将输入(如振动、转速、扭矩运动速度)转换成线圈中感应电动势输出的传感器。,特点:有源传感器:不需要提供电源;如振动、转速、扭矩具有双向转换特性;具有较大的输出功率;只适用于动态测量。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.1 磁电式传感器的工作原理,由法拉第电磁感应定律,当N匝线圈在均恒磁场中运动时,设穿过线圈的磁通为,则线圈的感应电动势E为:,线圈在恒定磁场中作直线运动,并切割磁力线,感生电势为:,B:磁场磁感应强度;l:每匝
2、线圈的有效长度:运动方向与磁场方向之间的夹角;v:线圈与磁场之间的相对运动速度,m/s,线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线,感生电势为:,S:每匝线圈的围成的面积:线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角;:线圈与磁场之间的相对运动角速度,两种基本类型,恒定磁通式:工作气隙中磁通不变,线圈中的感应电势由线圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。变磁通式:磁铁、线圈均不动,感应电势由变化的磁通产生,如图示转速测量:,1一永久磁铁2一软磁铁3一感应线圈4一测量齿轮,不同类型的磁电式传感器,磁通量的变化实现办法:磁铁与线圈之间作相对运动;磁路中磁阻的变化;恒定磁场中线圈面积的变化.直接应用:测定速度在信号调
3、节电路中接积分电路,或微分电路,磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.2 动圈式磁电传感器,1.动圈式磁电传感器原理2.动圈式磁电传感器结构,永久磁铁,线圈,弹簧,1.动圈式磁电传感器原理,传感器原理,如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的,则当线圈与磁场的相对速度为时,线圈的感应电动势:,当90,线圈的感应电动势为:,当N、B和la恒定不变时,E与=dx/dt成正比,根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。,动圈式演示,动圈式
4、振动传感器结构,弹簧片,阻尼杯,磁钢,芯轴,壳体,线圈,引线,2.动圈式磁电传感器结构,磁电式传感器构成:1、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积,一般都采用永久磁铁;2、线圈 由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器,除了磁路系统和线圈外,还有一些其它元件,如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。,1弹簧;2壳体;3阻尼环;4磁钢;5线圈;6芯轴,在测振时,传感器固定或紧压于被测物体,磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动。装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。,动圈式传感器结构:,1顶杆 2弹簧片 3磁钢 4线圈 5引出线 6壳体
5、,用途:用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度。,直接式振动传感器,连接方式:壳体固定于一部件上,线圈与顶杆相对固定,而顶杆与另一部件相接触,依靠弹簧片回复原位。当两部件相对运动时,使线圈与磁钢产生相对运动,产生相应的电动势。,5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.3 磁阻式磁电传感器,线圈和磁铁部分都是静止的,与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的,在运动中,它们改变磁路的磁阻,因而改变贯穿线圈的磁能量,在线圈中产生感应电动势。用来测量转速,线圈中产生感应电动势的频率
6、作为输出,而电势的频率取决于磁通变化的频率。结构:开磁路、闭磁路,开磁路磁阻式转速传感器,1永久磁铁3感应线圈2软铁4齿轮,结构比较简单,但输出信号较小,当被测轴振动较大时,传感器输出波形失真较大。,闭磁路磁阻式转速传感器,闭磁路磁组式转速传感器,采用在振动强的场合,有下限工作频率(50Hz)传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度,,5.1.1 磁电式传感器的工作原理5.1.2 动圈式磁电传感器5.1.3 磁阻式磁电传感器5.1.4 磁电式传感器的动态特性,5.1 磁电式传感器,5.1.4 磁电式传感器的动态特性,一个二阶系统。Vo为传感器外壳的运动速度,即被测物体运动速度;Vm为传感器惯性
7、质量块的运动速度。,等效机械系统,若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度,幅频特性相频特性,式中,被测振动的角频率;n传感器运动系统的固有角频率 传感器运动系统的阻尼比,运动方程,磁电式速度传感器的频率响应特性曲线,只有n的情况下,Av()1,相对速度V(t)的大小才可以作为被测振动速度V0(t)的量度。因此磁电式速度传感器的频率较低,一般为1015Hz。,测量振动速度的原理,相对运动速度V(t)就是前面的线圈相对磁场的运动速度dx/dt.,传感器的输出电势E与相对速度V(t)成正比,而V(t)可以度量被测振动速度V0(t),所以电势E也可以度量V0(t)。,End the 5.1,物理现象
8、观察,霍尔效应,当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中,沿着垂直于磁场的方向通以电流I,就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH,如图所示。,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用,实例,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。,发现:1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,发展:由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用,随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。,应用:霍尔传
9、感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,5.2.1 霍尔传感器工作原理,在金属或半导体薄片的两端通过控制电流,并在薄片的垂直方向上施加磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势(霍尔电势),这种现象称为霍尔效应。,当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中,沿着垂直于磁场的方向通以电流I,就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH,如图1所示。这种现象称为霍尔效应,所产生的电动势称为霍尔电动势,这种薄片(一般为半导体)称为霍尔片或霍尔元件。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fL fL=evB(
10、1)偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE fE=eEH=eUH/b(2)平衡时,fL=fE,即 evB=eUH/b(3)由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度),则电流强度为 I=-nevbd(4)所以(5)式中,d霍尔片厚度;n电子浓度;RH=1/ne霍尔系数;KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度。,5.2.1 霍尔传感器工作原理,1.霍尔效应,材料、尺寸确定的元件,KH保持常数。UH仅与IB成正比。,(7),(8),当磁场改变方向时,UH 也改变方向,实际作用于元件上有效磁场是其法线方向的分量,即Bcos。,(9),5.2.1 霍尔传感器工作原理,霍尔常数,霍尔常数
11、大小取决于导体的载流子密度:金属的自由电子密度太大,因而霍尔常数小,霍尔电势也小,所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比:为了提高霍尔电势值,霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度(灵敏系数),半导体中电子迁移率(电子定向运动平均速度)比空穴迁移率高,因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件,,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用,5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,霍尔元件命名、材料及结构,从式(3)evB=eUH/
12、b(3)RH=1/ne霍尔系数;KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度知,霍尔电压UH与载流子的运动速度v有关,即与载流子的迁移率有关。由于=v/El(El为电流方向上的电场强度),材料的电阻=1/ne,所以霍尔系数RH与载流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为 RH=(6),霍尔元件命名、材料及结构,KH=RH/d(为提高霍尔灵敏度,选择材料的霍尔系数RH尽可能大,d尽可能小)(d太小,导致元件的输入输出电阻增加)RH=金属导体:大,但小(n大);绝缘体:大(n小),但小;它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。半导体:、适中适宜作霍尔元件。对于导体,霍尔系数一般较小,故霍尔元件一般用半导体制作,
13、且愈小(薄),灵敏度愈高.,霍尔元件命名、材料及结构,霍尔元件的输出与灵敏度有关,KH越大,UH越大。霍尔灵敏度主要取决于元件的性质和尺寸。和越大,RH=越大,UH越大。元件的厚度d越小,KH越大,UH越大。,(8),RH=(6),(9),霍尔元件命名、材料及结构,图2 霍尔元件示意图a)原理图;b)结构图;c)图形符号;d)外形图,霍尔元件命名、材料及结构,霍尔元件是半导体四端薄片,一般做成正方形,在薄片的相对两侧对称的悍上两对电极引出线(一对称激励电流端,另一对称霍尔电势输出端),如图2b所示,霍尔元件是一种四端元件,霍尔元件命名、材料及结构,敏感元器件及传感器的型号命名方法由以下四部分组
14、成:第一部分主称(用字母表示)第二部分类别或材料(用字母或数字表示)第三部分特征(用字母或数字表示)第四部分序号和区别代号(用数字加字母表示),霍尔元件命名,第一部分:H代表霍尔元件第二部分:类别或材料(Z、S、T)第三部分:序号,5.2 霍尔传感器,5.2.1 霍尔传感器工作原理5.2.2 霍尔元件的结构和基本电路5.2.3 霍尔元件的主要特性参数5.2.4 霍尔元件误差及补偿5.2.5 霍尔式传感器的应用,输入电阻Ri和输出电阻RoRi是指控制电流极之间的电阻值。R0指霍尔元件电极间的电阻。Ri、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。Ri Ro,Ri、Ro=1002000。额定激励电流IN和最
15、大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为10时,所对应的激励电流称为额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制,所对应的激励电流称为最大允许激励电流Imax。,5.2.3 霍尔元件的主要特性参数:,不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为额定值IN时,若元件所处位置的磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零,这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良(部分接触)等原因,即使霍尔电极的装配绝对对称,也会产生不等位电势。,5.2.3 霍尔元件的主要特性
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