传感器原理及应用-第7章

物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors主讲：王殿生教授物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》磁电作用被测非电量电信号测量电路U、I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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§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物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》磁电感应式传感器：利用电磁感应原理将被测量（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（10～1000Hz）。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BlvdtdxBtdtdE1、恒磁通式工作原理变磁通式恒磁通式分类感生电动势原理动生电动势原理物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§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φ，则线圈内的感应电势E与磁通变化率dφ/dt关系为二、磁电感应式传感器工作原理dtdWE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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§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ffofoofofoRRlWvRBRIURRlWvBRREI；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ffooUfooIRRlWRBvUSRRlWBvIS；灵敏度相对误差为RdRldlBdBSdSII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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§7.1磁电感应式传感器磁电式传感器产生非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物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§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物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§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/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，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≈-0.02×10-2，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。Ct10%5.4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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§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物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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§7.2霍尔式传感器UHbldIFFvB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=EHb=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dIBRUHH物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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UHbldIFFvB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。dIBRUHHdRKHHIBKUHHnqRH1nqdKH1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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》霍尔元件：基于霍尔效应工作的半导体器件。霍尔元件材料：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(4×2×0.1mm3)，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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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（InSb）：灵敏度最高、受温度影响大。1、霍尔元件的构造溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件输出1输出2输入1输入2磁性顶端引线衬底霍尔元件霍尔元件电路图形符号：1—1’激励电极2—2’霍尔电极物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（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W1W2UHUH~（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。WUHRLEBIIBUH物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（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。)1(tUUHoHt（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。)1(tRRioit)1(0tRRoot（6）灵敏度物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4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。ABCDWABCDWABCDW1R2R4R3RWABCDI物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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、温度误差及补偿方法基本电路与等效电路（1）输入回路串联电阻补偿EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)（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Ｉ稳定不变。IIRLUH基本电路物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（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。RRt输入回路补偿：在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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。RLRRtw1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（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霍尔传感器种类THS103