傳感器與檢測技術(shù)第7章磁電式傳感器ppt課件

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7.1 磁電感應(yīng)式傳感器 7.2 霍爾式傳感器,第7章 磁電式傳感器,返回主目錄,通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢信號的設(shè)備稱作電磁式傳感器，常用的有磁電感應(yīng)式和霍爾式兩種。,1,7.1 磁電感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器, 是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。 它的特點是不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，屬于有源傳感器。,一、 磁電式傳感器工作原理 根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 當W匝線圈在恒定磁場內(nèi)運動時, 設(shè)穿過線圈的磁通為Φ, 則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢 E 為：,2,磁電式傳感器有 變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)。  1. 變磁通式磁電傳感器 變磁通式磁電傳感器，主要用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。它又分為開磁路和閉磁路兩種： 圖7 – 1(a) 為開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動, 測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上, 隨之一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒, 齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次, 磁通也就變化一次, 線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢, 其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積（即f=nZ/60)。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單, 但輸出信號較小, 且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速。。,3,圖7 - 1(b) 為閉磁路變磁通式, 它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成, 內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。 當轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時, 外齒輪不動, 內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化, 從而引起磁路中磁通的變化,使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。,4,2. 恒磁通式磁電傳感器 圖7-2 為恒磁通式磁電傳感器。它的磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場, 磁路中的工作氣隙固定不變, 因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式）, 也可以是磁鐵（動鐵式）, 動圈式（圖7 - 2（a））和動鐵式（圖7 - 2(b)）的工作原理是完全相同的。 當殼體隨被測振動體一起振動時, 由于彈簧較軟, 運動部件質(zhì)量相對較大。當振動頻率足夠高（遠大于傳感器固有頻率）時, 運動部件慣性很大, 來不及隨振動體一起振動, 近乎靜止不動, 振動能量幾乎全被彈簧吸收, 永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度, 磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線, 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,5,式中：B ——工作氣隙磁感應(yīng)強度;  L——每匝線圈平均長度;  W——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù);  v——相對運動速度。 由此可知，只要測出感應(yīng)電動勢E，就可知物體運動的速度。,(7 - 2),根據(jù)電磁感應(yīng)定律，W匝線圈切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為,6,二、 磁電式傳感器基本特性 當測量電路接入磁電傳感器電路時（見下圖）, 磁電傳感器的輸出電流I0為,式中： Rf——測量電路輸入電阻; R—— 線圈等效電阻。,（7 - 3）,而傳感器的輸出電壓,7,當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、 機械振動或沖擊時, 其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。 其相對誤差為,1. 傳感器的電流靈敏度為,(7 - 4),2. 傳感器的電壓靈敏度為,(7 - 6),（7 -7）,8,3. 非線性誤差 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是: 由于傳感器線圈內(nèi)有電流 I 流過時, 將產(chǎn)生一定的交變磁通ΦI, 此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上, 使恒定的氣隙磁通變化而造成的如圖7 - 3所示。 顯然，當傳感器線圈向上運動時, 產(chǎn)生的感生電流I形成的附加磁通ΦI方向與原工作磁通Φ 方向相反, 減弱了原工作磁場的作用。當傳感器線圈向下運動時, 產(chǎn)生的感生電流I形成的附加磁通ΦI方向與原工作磁通Φ 方向相同, 增加了原工作磁場的作用。其結(jié)果是線圈運動速度方向不同, 傳感器的靈敏度就具有不同的數(shù)值。,9,為補償上述附加磁場干擾, 可在傳感器中加入補償線圈, 如圖7 - 2（a）所示。 在補償線圈中通以經(jīng)放大K倍的電流, 適當選擇補償線圈參數(shù), 可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消, 從而達到補償?shù)哪康摹?*4. 溫度誤差 實驗證明，當溫度變化時, 式（7 -7）中右邊三項都不為零。對銅線而言，每攝氏度變化量為dL/L≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2 , 而dB/B每攝氏度的變化量取決于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金, dB/B≈-0.02×10-2, 這樣由式(7 - 7)可得近似值:,10,這一數(shù)值是很可觀的, 所以需要進行溫度補償。 補償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當溫度升高時, 熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降, 經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低, 從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化, 維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 ,(7 - 8),11,三、 磁電式傳感器的測量電路 磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢, 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器, 若要獲取被測位移或加速度信號, 則需要配用積分或微分電路。 圖 7 - 4 為一般測量電路方框圖,12,四、 磁電式傳感器的應(yīng)用 1. 動圈式振動速度傳感器 圖 7 - 5 是動圈式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 其結(jié)構(gòu)主要由鋼制圓形外殼制成, 里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體, 永久磁鐵中間有一小孔, 穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán), 芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。,13,,14,工作時, 傳感器與被測物體剛性連接, 當物體振動時, 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動, 而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。 因而, 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢, 線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。 該傳感器測量的是振動速度參數(shù), 若在測量電路中接入積分電路, 則輸出電勢與位移成正比; 若在測量電路中接入微分電路, 則其輸出與加速度成正比。,15,2. 磁電式扭矩傳感器 圖 7 - 6 是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。 在驅(qū)動源和負載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤, 它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖7 - 7所示。 傳感器的檢測元件部分由永久磁場、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。 永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈。當齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時, 圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化, 于是磁通量也發(fā)生變化, 在線圈中感應(yīng)出交流電壓, 其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)乘積。 當扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時, 兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。 這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。,16,,17,,18,7.2 霍爾式傳感器,霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。它廣泛用于電磁、壓力、加速度、振動等方面的測量。 一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件 1. 霍爾效 置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體, 當它的電流方向與磁場方向不一致時, 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間便產(chǎn)生電動勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。如下圖7 – 8 所示。,19,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+ + + + + + + + + + +,- - - - - - - - - - -,l,b,d,I,v,fL,fe,B,EH,,,e,圖 7-8 霍爾效應(yīng)原理圖,,,,,,,,20,如上圖 7 - 8 所示, 在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板, 導(dǎo)電板通以電流I, 方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運動。此時, 每個電子受洛侖磁力 fL 為,其 fL 大小為 fL =eBv （ 7 - 9） 式中: e——電子電荷;  v——電子運動平均速度;  B——磁場的磁感應(yīng)強度。,21,式中UH為電位差。 霍爾電場的出現(xiàn), 使定向運動的電子除了受洛侖磁力作用外, 還受到霍爾電場的作用力, 其大小為fe=eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)積累電荷的增加, 霍爾電場也增加, 電子受到的電場力也增加, 當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等時，即 fe=fL,由于 fL 的作用, 結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面上積累負電荷（電子）, 而外側(cè)面上積累了正電荷, 從而形成了附加內(nèi)電場EH, 稱霍爾電場, 該電場強度為,（7 - 10）,22,eEH=evB （7 - 11） 則 EH=vB （7 - 12） 由于此兩個力方向相反，使電荷不再向兩側(cè)面積累, 達到動態(tài)平衡狀態(tài)。  若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n, 電子定向運動平均速度為v，則激勵電流 I=nevbd,,（7 -14）,（7 - 13）,即,23,式中令RH =1/（ne）, 稱之為霍爾常數(shù), 其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則   式中KH=RH/d 稱為霍爾片的靈敏度。 注：式(7 – 16)是把霍爾片的長度l 看作無限大得出的，實際上霍爾片總有一定的長寬比，只有當l/b2時，式(7 – 16)才成立。實際設(shè)計時，取l/b=2 已足以。 并制成薄片形狀。,將上式代入式（7 - 10）得,（7 -15）,（7 - 16）,24,對霍爾片材料的要求, 希望有較大的霍爾常數(shù)RH, 霍爾元件激勵極間電阻R=ρl/（bd）, 同時R=U/I=El/I=El/（nevbd）, 其中U為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，E為霍爾元件激勵極間內(nèi)電場，v為電子移動的平均速度。 設(shè)μ=v/E，則μ稱作電子遷移率。由  (7 - 17) 解得 RH=μρ （7 - 18） 從式（7 - 18）可知, 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應(yīng)強, 則RH值大, 因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。,25,一般金屬材料載流子遷移率很高, 但電阻率很小; 而絕緣材料電阻率極高, 但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有: 鍺、 硅、砷化銦、 銻化銦等半導(dǎo)體材料。 其中N型鍺容易加工制造, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感, 尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大, 但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小, 溫度系數(shù)也較小, 輸出特性線性度好。 下表7 - 1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。 ,26,27,28,2. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單, 它由霍爾片、 引線和殼體組成, 如下圖 7 - 9(a)所示。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，其幾何尺寸為 8×4×0.2/mm3。并引出四個引線。其中1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如下圖7- 9(b)所示。,29,30,3. 霍爾元件基本特性 1） 額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。 2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源, 其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。 以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。,31,3）不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為I時, 若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零, 則它的霍爾電勢應(yīng)該為零, 但實際不為零。 這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢U0。產(chǎn)生它的主要原因是霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等位面上造成的。如下圖所示：,不等位電勢也可用不等位電阻r0表示，即,（7 - 19）,32,由上式（7 - 19）可以看出, 不等位電勢U0就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。 4. 霍爾元件不等位電勢補償 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級, 有時甚至超過霍爾電勢, 而實用中要消除不等位電勢是極其困難的, 因而必須采用補償?shù)姆椒?。由于不等位電勢與不等位電阻是一致的, 分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效為一個電橋，用分析電橋平衡的方法來找到不等位電勢的補償方法。 霍爾元件的等效電路如下圖所示： ,33,理想情況下, 霍爾電極A、B處于同一等位面上，R1=R2=R3=R4, 電橋平衡，電勢為零。 實際上, 由于霍爾電極A、B不處于同一等位面上，故此四個電阻值不相等, 則電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如下圖7 - 10（a）所示）, 或在兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻（如下圖7 – 10（b）所示）。使不等位電勢位零。,其中A、B為霍爾電極, C、D為激勵電極, 電極分布電阻分別用R1、R2、R3、R4表示。,34,35,5. 霍爾元件溫度補償 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的, 因此它的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時，就使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。 減小霍爾元件溫度誤差的常用方法有： ① 用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施； ② 采用恒流源供電（由UH=KHIB 可看出）； ③電阻分流法；(電路如圖7-11 所示） 除此之外，由于霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化也引起霍爾電勢的變化。,36,一般來說，霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成 KH =KH0（1+αΔT） （7 - 20） 式中：KH0 ——溫度T0時的KH 值; ΔT =T- T0——溫度變化量;  α——霍爾電勢溫度系數(shù)。一般有α0 從UH=KH IH B 可以看出，當溫度升高ΔT時，KH 增加（1+αΔT）倍。如果與此同時，讓激勵電流 IH 相應(yīng)地減小, 并能保持KH IH 乘積不變, 也就抵消了靈敏系數(shù)KH 增加的影響。圖 7 - 11 就是按此思路設(shè)計的一個既簡單、補償效果又較好的補償電路。,37,電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。 當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時, 旁路分流電阻Rp自動地加強分流, 減少了霍爾元件的激勵電流IH, 從而達到補償?shù)哪康摹?,38,在圖 7 - 11 所示的溫度補償電路中, 設(shè)初始溫度為T0, 霍爾元件輸入電阻為Ri0, 靈敏系數(shù)為KH0, 分流電阻為Rp0, 根據(jù)分流概念得,當溫度升至T時, 電路中各參數(shù)變?yōu)?（7 - 21）,Ri=Ri0（1+δΔT） （7 - 22） Rp=Rp0（1+βΔT） （7 -23）,式中：δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù); β——分流電阻溫度系數(shù)。,39,則,雖然溫度升高ΔT, 為使霍爾電勢不變, 補償電路必須滿足溫升前、 后的霍爾電勢不變, 即 UH0=UH KH0 IH0 B=KH IH B （7 - 25） 則  KH0 IH0=KH IH （7 - 26）,（7 -24）,40,將式（7 - 20）、 （7 - 21）、 （7 - 24）代入上式, 經(jīng)整理并略去αβ (ΔT)2高次項后得   當霍爾元件選定后, 它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。由式（7 - 27）即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足Rp0及β兩個條件, 分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合, 這樣雖然麻煩但效果很好。 ,（7 - 27）,41,二、 霍爾式傳感器的應(yīng)用 1. 霍爾式微位移傳感器 下圖7-12 給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。 圖（a）是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵, 同極性相對地放置, 霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強度B=0, 因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零, 此時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移, 霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強度也隨之改變, 這時UH不為零, 其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量, 這種結(jié)構(gòu)的傳感器, 其動態(tài)范圍可達 5 mm, 分辨率為 0.001mm。 ,42,,43,圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器, 由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器, 在Δx=0 時, 霍爾電壓不等于零。圖（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器, 為了獲得較好的線性分布, 在磁極端面裝有極靴, 霍爾元件調(diào)整好初始位置時, 可以使霍爾電壓UH=0 。 這種傳感器靈敏度很高, 但它所能檢測的位移量較小, 適合于微位移量及振動的測量 。 ,44,2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 下圖 7 - 13 是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。 磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連, 當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時, 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動, 固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖, 檢測出單位時間的脈沖數(shù), 便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。,45,,46,3. 霍爾計數(shù)裝置 霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件, 能感受到很小的磁場變化, 因而可對黑色金屬零件進行計數(shù)檢測。 下圖 7 - 14 是對鋼球進行計數(shù)的工作示意圖和電路圖當鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時, 傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓, 該電壓經(jīng)運算放大器A（μA741）放大后, 驅(qū)動半導(dǎo)體三極管VT（2N5812）工作, VT輸出端便可接計數(shù)器進行計數(shù), 并由顯示器顯示檢測數(shù)值。,作業(yè)：P126 7－1； 7－4,47,,48,,課間休息,49,,50,,51,,52,