《磁电式传感器应用》PPT课件.ppt
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1、传感器原理及应用,主讲人:康朝海,主要内容:4.1 磁电感应式传感器4.2 霍尔式传感器 4.3 磁敏传感器,传感器基础,第4章磁电式传感器,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。,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
2、控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、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,4.1 磁电感应式传感器(电动式),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。,4.1.1 工作原理,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,转动物体引起磁阻、磁通变化。,恒磁通式,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:,磁电感应式传感器的应用,电磁式
3、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。,磁电感应式传感器的应用,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。,磁电感应式传感器的应用,磁电感应式传感器的应用,磁电感应式传感器的应用,信号输出
4、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。,磁电感应式传感器的应用,积分电路输出,微分电路输出,4.2 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,4.2 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
5、方向发展。,4.2.1 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。,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,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,霍尔效应,当两作用力相等时电荷不再向两边积累,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
6、 有关:,霍尔电势:,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,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。,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,
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