传感器原理及应用-第7章.ppt

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1、,传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors,主讲：王殿生 教授,第七章,作 业,第二版教材126-127页：练习题：7-5，7-6，7-9 第三版教材124页：练习题：7-5，7-6，7-9,第七章 磁电式传感器,磁电式传感器的定义 通过磁电作用，被测非电量转换为电信号的传感器。磁电式传感器的感测量 磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。磁电式传感器的种类 根据工作原理：感应式、霍尔式和磁敏式等。,7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用,第七章 磁电式传感器,磁电感应式传感器：利用电磁感应

2、原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。有源传感器：不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。特点：输出功率大，性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz）。,一、磁电感应式传感器概述,7.1 磁电感应式传感器,根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为,B稳恒均匀磁场的磁感应强度；l导体有效长度；v导体相对磁场的运动速度。,二、磁电感应式传感器工作原理,1、恒磁通式工作原理,7.1 磁电感应式传感器,磁路系统产生恒定的磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。,二、磁电感应式传感器

3、工作原理,1、恒磁通式工作原理,弹簧较软，运动部件质量相对较大。当壳体随被测振动体一起振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收。,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势。,7.1 磁电感应式传感器,当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势E与磁通变化率d/dt关系为,二、磁电感应式传感器工作原理,2、变磁通式工作原理,1永久磁铁；2软磁铁；3感应线圈；4铁齿轮；,开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量

4、齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势。,感应电势变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，不宜测量高转速的场合。,7.1 磁电感应式传感器,当测量电路接入磁电传感器电路时，Rf为测量电路输入电阻，R为线圈等效电阻，则磁电传感器的输出电流和电压为,三、磁电感应式传感器基本特性,1、磁电传感器的灵敏度,传感器的输出电流和电压灵敏度分别灵敏度为,灵敏度相对误差为,灵敏度误差：工作温度变化、外界磁场干扰、机械振动或冲击，灵敏度会变化。,7.1 磁电感应式传感器,磁电式传感器产生非

5、线性误差的主要原因：电流磁场效应。,三、磁电感应式传感器基本特性,2、磁电传感器的非线性误差,传感器线圈内流过电流时，产生一定的交变磁通，叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。,传感器电流的磁场效应,7.1 磁电感应式传感器,三、磁电感应式传感器基本特性,2、磁电传感器的非线性误差,当线圈的运动速度反向时，感应电势、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。因此，线圈运动速度方向不同时，传感

6、器的灵敏度具有不同的数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加,即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。,传感器电流的磁场效应,7.1 磁电感应式传感器,三、磁电感应式传感器基本特性,3、磁电传感器的温度误差,当温度变化每摄氏度时，对铜线变化量为dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2，dB/B的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B-0.0210-2，灵敏度随温度变化误差为,这一数值是很可观的，需要进行温度补偿。,热磁分流器补偿：热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。在正常工作温度下已

7、将空气隙磁通分掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。,四、磁电感应式传感器测量电路,7.1 磁电感应式传感器,磁电感应式传感器直接输出电动势，且通常具有高的灵敏度，一般不需要高增益放大器。磁电感应式传感器是速度传感器，若要获得被测位移或加速度信号，则需配用积分电路或微分电路。,7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用,第七章 磁电式传感器,霍尔：1879年设霍尔元件为N型半导体，当通电流I时FL=qvB,一、霍尔效应

8、,7.2 霍尔式传感器,当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有qEH=qvB,霍尔电场的强度为EH=vB,霍尔电压UH可表示为UH=EH b=vBb,流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq；v=I/nqbdUH=BI/nqd；若取RH=1/nq则有,RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。霍尔系数由半导体材料性质决定，反映材料霍尔效应的强弱。,一、霍尔效应,7.2 霍尔式传感器,霍尔电压为,霍尔元件的灵敏度：一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。,KH即为霍尔元件的灵敏度。,霍尔电压与材料的性质有关；与元件的尺寸有关。,霍尔元件：基于霍尔效应工作的半导体器件。霍

9、尔元件材料：多采用N型半导体材料。霍尔元件组成：霍尔片、四根引线和壳体。,二、霍尔元件的结构与特性,7.2 霍尔式传感器,最常用的霍尔元件材料有：锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。霍尔元件的壳体：用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。,1、霍尔元件的构造,霍尔片是一块半导体单晶薄片(420.1mm3)，长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，称为控制电极；在另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，称为霍尔电极。,二、霍尔元件的结构与特性,7.2 霍尔式传感器,锗（Ge）：灵敏度低、温度特性及线性度好。锑化铟（

10、InSb）：灵敏度最高、受温度影响大。,1、霍尔元件的构造,霍尔元件电路图形符号：,11 激励电极22 霍尔电极,（1）基本连接方式与测量电路,二、霍尔元件的结构与特性,7.2 霍尔式传感器,2、霍尔元件的测量电路,（2）直流供电输出方式控制电流端并联，输出电势两倍。,（3）交流供电输出方式控制电流端串联，绕阻叠加输出。,（1）额定功耗在环境温度25时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。,二、霍尔元件的结构与特性,7.2 霍尔式传感器,3、霍尔元件的技术参数,（4）霍尔温度系数在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势变化的百分率。,（2）输入电阻和输出电阻输入电阻：控制电流极之

11、间的电阻。输出电阻：霍尔元件电极间的电阻。在无磁场时用欧姆表等测量。,（3）不平衡（等位）电势在额定控制电流下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。,（5）内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。,（6）灵敏度,霍尔元件不等位电动势也叫传感器输出电压的零位误差。,三、霍尔元件测量误差和补偿,7.2 霍尔式传感器,1、零位误差及补偿方法,不等位电动势与等效电路,电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻。,温度影响电阻率、迁移率、载流子浓度，导致霍尔元件内阻、霍尔电势随温度变化。,三、霍尔元件测量误差和补偿,7.2 霍尔式传感器,2、温度误差及

12、补偿方法,基本电路与等效电路,（1）输入回路串联电阻补偿,（2）输出回路负载电阻补偿霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流稳定不变。,基本电路,（3）恒流源补偿当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，可考虑在输入端采用恒流源补偿。输入电阻随温度变化而引起控制电流的变化极小，减少了输入端温度影响。,三、霍尔元件测量误差和补偿,7.2 霍尔式传感器,2、温度误差及补偿方法,（4）热敏电阻补偿对于用温度系数大的半导体材料制成的霍尔元件，常采用热敏电阻进行补偿。,霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能补偿。,输入回路补偿：在输入

13、回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。,三、霍尔元件测量误差和补偿,7.2 霍尔式传感器,2、温度误差及补偿方法,（4）热敏电阻补偿输出回路补偿：在负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用热敏电阻补偿时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，温度变化一致。,（5）电桥补偿调节电位器W1可消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。,（1）霍尔电压的温度稳定性好最大优点是在恒流工作时温度稳定性好，温度变化10，输出电压变化不超过-0.6。（2）输出线性好最大误差只有2%。完全可以满足一般的用途。（3）灵敏度

14、低在500高斯左右开始达到饱和。（4）不平衡电压随温度变化大在弱磁场中(10高斯以下)不如InSb霍尔传感器。,四、常用霍尔传感器GaAs和InSb,7.2 霍尔式传感器,1、GaAs霍尔传感器,InSb霍尔传感器与GaAs的特性几乎相反。（1）不平衡电压稳定性好InSb霍尔传感器在恒压工作时不平衡电压的稳定性很好，噪音也小，可很好地在弱磁场中工作测量。（2）霍尔电压的温度稳定性不好在恒流工作时其温度系数最大为-2%/，GaAs的3040倍。为了改善InSb霍尔传感器的温度特性，采用恒压工作，可降低温度系数近10倍。,四、常用霍尔传感器GaAs和InSb,7.2 霍尔式传感器,2、InSb霍尔

15、传感器,（3）InSb霍尔传感器的频率特性不太好在理论上GaAs霍尔传感器的频带在兆赫以上，而实际上是达不到的，但无论如何也会有InSb霍尔传感器（大约在数kHz至数十kHz）数十倍以上的带宽。,集成霍尔传感器：利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器，取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，显著地提高了可靠性，还具有体积小、重量轻、功耗低等优点，应用越来越广泛。,五、集成霍尔传感器,7.2 霍尔式传感器,1、开关型集成霍尔传感器,霍尔开关电路,开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数

16、字信号。,霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。,五、集成霍尔传感器,7.2 霍尔式传感器,2、线性集成霍尔传感器,线性集成霍尔传感器：霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。输出电压与外加磁场成线性比例关系。一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成。线性霍尔集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。,7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用,第七章 磁电式传感器,The Nobel Prize in Physics 2011,“The Nobel P

17、rize in Physics for 2011 with one half to Saul Perlmutter with the Supernova Cosmology Project in the United States and the other half jointly to Brian P.Schmidt with the High-z Supernova Search Team in Australia and Adam G.Riess from the United States for the discovery of the accelerating expansion

18、 of the Universe through observations of distant supernovae。”,磁阻效应：当载流体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中磁阻与磁感应强度B的平方成正比。若器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为,一、磁敏电阻元件,7.3 磁敏式传感器,圆盘形的磁阻最大。磁敏电阻大多做成圆盘结构。,1、磁阻效应,迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。,磁阻效应除与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。

19、在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。,（1）灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。,一、磁敏电阻元件,7.3 磁敏式传感器,2、磁阻元件的主要特性,磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。,（2）电阻 温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,一、磁敏电阻元件,7.3 磁敏式传感器,2、磁

20、阻元件的主要特性,巨磁阻元件,磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I。本征区I的一面磨成光滑的无复合表面（为I区），另一面打毛，设置成高复合区（为r区），因为电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失。,二、磁敏二极管和三极管,1、磁敏二极管,磁敏二极管的符号,基本原理：在磁场强度和方向变化下，电子和空穴复合率明显变化，导致磁敏二极管的电流发生变化，实现磁电转换。,磁敏二极管的结构,7.3 磁敏式传感器,在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。

21、,二、磁敏二极管和三极管,2、磁敏三极管,基本原理：在正、反向磁场作用下，磁敏三极管集电极电流出现明显变化。磁敏三极管可测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。,7.3 磁敏式传感器,7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用,第七章 磁电式传感器,在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。磁电传感器的检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。,一、磁电式扭矩传感器,7.4 磁电式传感器应用,当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，在线圈中感应出交流电压，其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。,检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之

22、一。霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。,二、霍尔元件检测磁场,7.4 磁电式传感器应用,霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下。从a端通人电流I，左和右半部产生霍尔电势UH1和UH2，方向相反。因此，c、d两端电势为UH1-UH2。若霍尔元件在初始位置时UH1=UH2，则输出为零。改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，可得输出电压，大小正比于位移量。,三、霍尔式位移传感器,7.4 磁电式传感器应用,加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电

23、压UH。由事先校准的Pf(UH)曲线即可得到被测压力的值。,四、霍尔式压力传感器,7.4 磁电式传感器应用,五、霍尔式转速传感器,7.4 磁电式传感器应用,霍尔式转速传感器结构,六、霍尔式计数装置,7.4 磁电式传感器应用,霍尔计数装置及电路,七、霍尔式表面覆盖层厚度测量装置,7.4 磁电式传感器应用,测量铁磁性物质表面非磁性涂层,八、霍尔式汽车电子点火器,7.4 磁电式传感器应用,当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出0.4V的低电平。当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平。,九、磁敏电阻的应用,7.4 磁电式传感器

24、应用,磁敏电阻可用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。磁敏电阻可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,十、磁敏二极管应用漏磁探伤,7.4 磁电式传感器应用,漏磁探伤仪原理图1 裂缝；2 磁敏管探头；3 铁芯；4 激励线圈；5 被测棒材,十一、磁敏三极管应用无触点电位器,7.4 磁电式传感器应用,磁敏三极管置于1kGs的磁场中，改变磁敏三极管的基极电流，该电路的输出电压在0.7V15V之间连续变化。这就等效于一个电位器，而且没有触点。该电路特别适合于变化频繁、调节迅速、噪声要求低的场合。,7.1 磁电感应式传感器7.2 霍尔式传感器7.3 磁敏式传感器7.4 磁电式传感器应用,第七章 磁电式传感器,第七章,作 业,第二版教材126-127页：练习题：7-5，7-6，7-9 第三版教材124页：练习题：7-5，7-6，7-9,第七章结束,谢谢合作！,