磁电磁敏式传感器.ppt
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1、第6章 磁电、磁敏式传感器,传感器原理与应用,主要内容:6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器 6.3 磁敏元件,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电感式传感器是把被测量转换成电感量(自感、互感)的变化;磁电式传感器是将被测量转换为磁场变化,引起电动势输出变化。,磁电感应式速度传感器,霍尔开关,基于巨磁电阻效应的iGMR传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理,通过检测磁场的变化将运动的速度、位移、振动等物理量(机械能)转换成线圈中的感应电动势(电量)输出。是典型的有源传感器。,6.1 磁电感应式传感器,导体和磁场
2、发生相对运动时,在导体两端有感应电动势输出,磁电感应式传感器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。,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁电式结构:传感器由磁钢、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成,是典型的二阶惯性系统.根据原理有两种磁电感应式传感器:恒磁通式:恒定磁场,运动部件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,(a)开磁路(b)闭磁路变磁通式,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,恒磁通式测振动,恒磁通式传感器通常用做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种:动圈型 永久磁铁与壳固
3、定 动钢型 线圈与壳体固定,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,第6章磁电式传感器,传感与检测技术,动圈式振动速度传感器,磁电式绝对速度计:1弹簧;2壳体;3阻尼环;4磁钢;5线圈;6芯轴;固有频率10 15Hz,=0.50.7,上限频率1k。,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,第6章磁电式传感器,传感与检测技术,这种惯性式传感器,不需要静止的参考基准,直接安装在被测体上,工作时传感器不需要加电压;线圈随被测物体运动,直接将机械能转换为电能输出,是典型的发电型传感器。,1-弹簧片,2-阻尼环,3-磁铁,4-铝支架,5-芯轴,6-线圈,7-壳体,8-引线,动圈式振动速度传感器,6.1.
4、1 磁电感应式传感器结构、原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,变磁通式又称为变磁阻式,线圈、磁铁静止不动,测转速时,转动物体(齿轮的凹凸)引起磁阻或磁通变化。,开磁路,闭磁路,(a)开磁路(b)闭磁路,6.1.1 磁电感应式传感器结构、原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,根据电磁感应定律,线圈在磁场中运动切割磁力线,线圈内产生感应电动势的大小与穿过线圈磁通变化率有关。,式中:B 磁感应强度,N 线圈匝数,L每匝线圈长度,V运动速度,线圈绕组中的感应电势与磁场、线圈的匝数圈数及运动速度有关,感应电动势可以表示为,6.1.2 基本特性,第6章磁电式传感器,6.1.2 基本特性,传感与检
5、测技术,电压灵敏度:,由 可确定灵敏度 为常数,电流灵敏度:,可定义出磁电感应式传感器灵敏度,对于结构确定的磁电式传感器,输出正比于振动速度,理想输出特性,6.1.2 基本特性,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,实际输出特性(灵敏度)是非线性的,偏离的原因:当振动速度很小时(a),惯性力不足以克服传感器活动部件的静摩擦力,因此线圈与磁铁不存在相对运动,因此无输出;当a超过b时,惯性力克服静摩擦力,有相对运动,但摩擦阻尼使输出特性非线性;当速度超过b到达c时惯性太大超过弹性形变范围,输出出现饱和;这种传感器的输出在很小和很大情况下是非线性的,但实际的工作范围较大,实用性较强。,振动传感器输出特
6、性,超过弹性形变范围输出出现饱和,6.1.2 基本特性,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,技术参数:灵敏度:2050mVmmSec 1(根据用户调整)频率响应(可选):5100Hz,10500Hz,101000Hz 固有频率:约10Hz 振幅极限:2mm(峰-峰值)最大加速度:10g,S-ZS型磁电式振动速度传感器,国产S-ZS型振动速度传感器,与振动监控仪或振动烈度监控仪配接后,可以测量各种位移、速度等,用来对机械故障进行预测和报警。振动速度传感器主要用于对转速6006000转/分旋转机械的振动烈度进行长期监测,,振动烈度监控仪,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,信
7、号输出经测量电路转换可获得位移和加速度 直接输出电动势,测量速度信号;接入积分电路可测量位移信号;接入微分电路可测量加速度信号。,磁电传感器根本上是速度传感器,磁铁与线圈之间相对运动时,能量全被弹簧吸收,磁路线圈切割磁力线产生于正比速度的感应电动势,由此输出可直接获得速度信号。,永久磁铁与线圈间的相对位移十分接近振动体的绝对位移,相对运动速度就接近振动体的振动速度。,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,位移,速度,加速度,第6章磁电式传感器,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,速度经时间积分,可测量位移,理想运放,RC称积分时间常数,根据,设电容上初始电压为零,输出电压
8、是输入电压对时间积分,6.1.3 测量电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,速度经微分电路 可测量加速度,理想运放,因为,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,1.磁电式扭距传感器圆盘齿引起磁通量变化,在线圈中感应出交流电压;当扭距作用在转轴上时,两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差,相差与扭距的扭转角成正比,传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。,信号频率=转数齿数,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,2.磁电式转速传感器 使探头对准测速齿轮的中部,调节探头与齿顶的距离为1mm。测得的传感器输出信号脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的
9、转速。设齿轮齿数为N,脉冲频率为f,转速为:n=f/N,转速的单位是转/分钟,所以要再乘以60,才是转速数据,即 nz=60f/N在使用60齿的发讯齿轮时就可以得到一个简单的转速公式 n=f,可用频率计测量转速。这就是在工业中转速测量中齿轮多为60齿的原因。,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,3.机械振动监测机械振动监视系统是监测飞机在飞行中发动机振动变化趋势的系统。磁电式振动传感器固定在发动机上,直接感受发动机的机械振动,并输出正比于振动速度的电压信号。因传感器接收飞机上各种频率的振动信号,必须经滤波电路将其它频率信号衰减后,才可能准确测量出发动机的振动速度。当振动量超过
10、规定值时,发出报警信号,飞行员可随时采取紧急措施,避免事故发生。,机械振动监视系统原理框图,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,转子底座的振动可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上,将传感器的输出经变送器接A/D采集通道,输入到计算机中。,4.加速度和速度传感器振动测量,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,航空航天发动机等设备的振动实验;兵器,坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射;民用,机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。,工程上可采用频谱分析识别信号中的周期分量,通过测量的振动信号进行频谱
11、分析,确定最大幅值的频率分量,然后找出故障。,大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电磁式继电器,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电磁式继电器,电磁式流量计,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,电表结构,第6章磁电式传感器,6.1.4 应用,传感与检测技术,磁通计原理,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,磁电式振动传感器的特点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,适合作机械振动测量、转速测量。磁电式传感器是发
12、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。输出功率大,稳定可靠,可简化二次仪表,但传感器尺寸大、重,频率响应低,通常在10100Hz。输出阻抗低几十几千欧,对后置电路要求低,干扰小。,出去活动一下,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器,传感与检测技术,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、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。,磁场强度与磁场源的分布,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测到10-6高斯。,霍尔传感器是一种磁敏元件,主要用于磁场检测
13、,6.2 霍尔式传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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、霍尔元件测量磁场;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。利用磁作用传感器,磁针、表头、继电器。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。,主要磁敏元件及磁场强度分布,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔传感器属于半导体磁敏元件,磁敏元件也是基于磁电转换原理,是把磁学物理量转换成电信号的传感器。特点:结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,6
14、.2 霍尔式传感器,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器,霍尔传感器测转速,霍尔开关,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器,霍尔开关元件用于手机开关无触点开关,利用SII的CMOS 技术和传感器技术来检测旋转和旋转方向,第6章磁电式传感器,6.2 霍尔式传感器6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应,因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展,人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显,并且体积小有利于集成化。,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,把一个导体(半导体薄片)两端通以电流,在垂直
15、方向施加磁感强度 B 的磁场,在导体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。霍尔电动势与磁场强度B、电流强度 I 有关,霍尔传感器基于霍尔效应,磁场强度B 的方向改变时 霍尔电动势的电压极性也随之改变。,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动时每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧:,磁场下导体中的电子运动时,因霍尔电势产生霍尔电场,其中霍尔电场强度为:,并有作用于电子的力:,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动
16、态平衡:,通过(半)导体薄片的电流 I与下列因素有关:,霍尔电势为,n 载流子浓度,v 电子运动速度,b d 导体薄片横截面积,e 电子电荷量。,第6章磁电式传感器,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,代入后:,与薄片尺寸有关,与材料有关,霍尔灵敏度,霍尔常数,式中:电阻率、n 电子浓度、电子迁移率=/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。,可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比,6.2.1 霍尔效应,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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;金属材料因电子浓度n很高,RH 很小,灵敏度低,UH 很小;绝缘材料电阻率很大,但电子迁移
17、率很小,不适用;半导体材料电阻率较大,电子迁移率适中,非常适于做霍尔元件;半导体中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);由霍尔灵敏度可见:厚度d越小霍尔灵敏度KH越大,所以霍尔元件通常做的较薄,近似1微米(d1m),工作电压很低。,讨论,6.2 霍尔式传感器6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件外形和符号,6.2.2 霍尔传感器基本电路,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔晶体的外形为矩形薄片,有四根引线,两端加激励,两端为输出,RL为负载电阻;电源E通过R控制激励电流 I;B 磁场与元件面垂直(向里)实测中可把 I
18、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UH与I或B成正比关系,或与 IB 成正比关系。,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,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 UH0,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,不在同一等位面上,或激励电极接触不良。,半导体材料不均匀,几何尺寸不均匀,造成电阻率不均匀。,(1)不等位电势,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,不等位电势的补偿 分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个
19、电桥,不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出,U00,可在电阻大的桥臂上并联电阻。不等位电势可表示为 U0=r0 IH,r0为不等位电阻,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件是半导体元件,它的许多参数与温度有关。当温度变化时,载流子浓度n、迁移率、电阻率,霍尔系数RH都会变化。,(2)温度误差及补偿,灵敏度与温度系数关系,恒流源补偿:由 UH=KH I B 可见,恒流源 I 供电可使UH稳定,但灵敏度系数 KH=RH/d=/d 也是温度的函数,温度T变化时,灵敏度KH也变化。,6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,恒流
20、源补偿方法:在霍尔元件上并联一分流电阻Rp,由于恒流源电流 I 不变,R p自动增加分流,使 I p 增大,IH 下降,UH下降;补偿电阻 Rp 可选择负温度系数.,KH=RH/d=/d,多数霍尔器件是正温度系数,T KH,可通过减小 I 保持 KHI 不变,抵消温度造成 KH 增加的影响。,6.2 霍尔式传感器6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,位移测量;测转速;测磁场;计数装置(导磁产品),检缺口 检齿,霍尔元件,磁铁,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突 起,就可产生磁场强度的脉动,从而引起霍尔电势的变化,产生转速信号。,1.测转速,6.2.4 霍尔传感器的
21、应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,2.霍尔传感器位移测量原理,在结构范围内位移测量线性好,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,3.霍尔压力传感器结构原理,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,4.霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时,在导线周围将产生磁场,磁力线集中在铁心内,并在铁心的缺口处穿过霍尔元件,从而产生与电流成正比的霍尔电压。,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,6.2.4 霍尔传感器的应用,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,霍尔元件的磁感应强度
22、与导线电流 成正比,B IX,可求出测量电路的霍尔输出电势,输出电势与导线电流成正比。霍尔元件灵敏度;KB 为比例系数;C 控制电流,X为导线电流;KHc KB 为一定值;,环形磁集束器作用是将载流导体中被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上,以提高灵敏度。,H=KHICB=KHICKBIX,6.2.4 霍尔传感器的应用,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,压舌,豁口,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,UH=KH IXB,I,I,霍尔电流传感器,直流电流传感器,霍尔钳形电流表演示,直流200A量程,被测电流的导线未放入铁心时;示值为零,70.9A,霍尔钳形 电流表演示,70.9A,钳形表的环
23、形铁心可以张开,导线由此穿过,霍尔钳形电流表的使用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处,将钳形表的铁心张开,在电厂、变电站,可将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,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,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔元件,测量铁心 气隙的B值,霍尔传感器测转速,在被测转速的转轴上安装一个齿盘,也可选取机械系统中的一个齿轮,将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化,霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,线性霍尔元件,霍尔元件输出波形,U
24、H=KH I B,n(转速)=60f/齿数,齿轮,汽车转速测量,实时典型信号的相关分析,输出信号,整形滤波,显示,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时,磁力线集中穿过霍尔元件,可产生较大的霍尔电动势,放大、整形后输出高电平;反之,当齿轮的空挡对准霍尔元件时,输出为低电平。,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置(ABS)中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死,将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,传感与检测技术,第6章磁电式传感器,计数电路,利用霍尔元件实现的编码计数典型电路。(晶体管、集成电路);随磁鼓上永久磁体的极性(N、S)变化
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