第六章-磁电式传感器

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第六章磁电式传感器6.1磁电感应式传感器6.2霍尔式传感器第一节磁电感应式传感器磁电感应式传感器有时又简称为磁电传感器，是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。它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，是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。一、磁电感应式传感器工作原理1．电磁感应定律根据电磁感应定律：无论任何原因是通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率的负值成正比。2．电磁感应定律的应用（1）线圈在恒定磁场中作直线运动线圈两端的感应电动势e为：当θ＝90°时，上式可写成：sinWBLEWBLE（2）线圈在恒定磁场中作旋转运动线圈两端的感应电动势为：当γ＝90°时，上式可写成：ω—旋转运动角速度；S—线圈的截面积；γ—线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系，因此只要适当加人积分、微分电路，便能通过测量感应电动势得到位移和加速度。sinWBSEWBSE二、磁电感应式传感器的结构1．变磁通式磁电传感器这类磁电式传感器中，产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，而是通过磁通的变化产生感应电动势。变磁通式磁电传感器工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于工作气隙中的线圈与磁钢之间作相对运动，线圈切割磁力线产生的。其值与相对运动速度成正比。2．恒磁通式磁电传感器（a）动圈式；（b）动铁式恒磁通式磁电传感器结构由永久磁铁、线圈、弹簧、统产生恒定的直流磁场，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。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。三、磁电感应式传感器的特性1．磁电式传感器的基本特性（1）电流输出特性①磁电传感器的输出电流Io为：②传感器的电流灵敏度为：（2）电压输出特性①传感器的输出电压为：②传感器的电压灵敏度为：fRRLBRRWEI010fRRLWBVI0ISfffRRLwvRBRIU000ffURRLwRBvUS002．磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器测量电路方框图1．磁电式转速传感器（1）磁电式转速传感器的结构根据磁路形式，可分为开磁路式和闭磁路式。根据形成磁场的方式，分为永磁型和励磁型两种结构类型根据极靴的结构形式又可分为单极型、双极型和齿型三种结构类型。根据安装形式，又可分为分离式和整体式。四、磁电感应式传感器的应用国产SZMB-3型磁电式转速传感器使用时，该传感器通过联轴节与被测轴连接，当转轴旋转时将角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表使用。该传感器每转输出60个脉冲，输出信号幅值大于或等于300mV(50r／rain时)，测速范围为50～5000r／min。国产SZMB-5型磁电式转速传感器使用时，该传感器输出信号的波形为近似正弦波，幅值与SZMB—3型相同。工作时，信号幅值大小与转速成正比，与铁心和齿顶间隙的大小成反比。被测齿轮的模数m=2，齿数z＝60，传感器铁心和被测齿顶间隙δ=0.5mm，测量范围为50～5000r／min。（2）磁电式转速传感器若设齿轮齿数为z，转速为n（r／min），则有：或：表明，传感器输出电动势的频率与被测转速成正比。因此，只要将该电动势放大整形成矩形波信号，送到计数器或频率计中，即可由频率测出转速。（3）磁电式转速传感器的计算zn60T60znfT—感应电动势周期；f—感应电动势频率。2．动圈式振动速度传感器该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。1—限幅器；2—壳体；3—弹簧片；4—芯轴；5—磁钢；6—线圈；7—阻尼环；8—输出线3．磁电式扭矩传感器传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。第二节霍尔式传感器霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。一、霍尔效应及其参数1．霍尔效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。（a）霍耳效应；（b）霍耳元件结构；（c）图形符号；（d）外形图6-7霍耳效应与霍耳元件FL的方向在图中是向上的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在FL的作用下向上漂移，结果使导电体上底面积累电子，而下底面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，此内电场称为霍尔电场霍尔常数的意义:①霍尔电势UH的大小正比于激励电流I和磁感应强度B的乘积。②霍尔元件的灵敏度KH是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数。③霍尔元件的灵敏度KH与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。④当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变。IBKdIBRUUHHHnedIBne1RHdRKHHRH为霍尔常数KH称为霍尔片的灵敏度霍尔电压2．霍尔参数一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中：①N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。②N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。③锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。④砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。二、霍尔元件及其传感器1．霍尔元件基本结构结构：由霍尔片、引线和壳体组成霍尔片：一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。（a）外形结构示意图；（b）图形符号霍尔元件2．常用的霍尔传感器（1）霍尔开关集成传感器原理：利用霍尔效应与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。特点：具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。常见型号：UGN-3020，UGN-3030，UGN-3075适用情况：点火系统、保安系统、转速测量、里程测量、机械设备限位开关、按钮开关、电流的测量和控制、位置及角度的检测（2）霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。结构：霍尔元件和放大器组成型号：SL3501T和SL3501M两种适用情况：：位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量和控制。（a）单端输出型；（b）双端输出型霍尔线性集成传感器的电路结构三、霍尔式传感器的应用按被检测的对象的性质可分为直接应用和间接应用两种：直接应用：直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性（如：高斯计等）。间接应用：检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量例如力、位移、速度以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。1．霍尔式微位移传感器图（a）是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置，霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0，因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零，此时位移Δx=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时UH不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量，这种结构的传感器，其动态范围可达5mm，分辨率为0.001mm。图（b）所示是一种结构简单的霍尔位移传感器，由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在Δx=0时，霍尔电压不等于零。图（c）是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器，为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调整好初始位置时，可以使霍尔电压UH=0。这种传感器灵敏度很高，但它所能检测的位移量较小，适合于微位移量及振动的测量。2．霍尔计数装置霍尔开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件进行计数检测。霍尔计数装置的工作原理及电路图3．霍尔式转速传感器原理：检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速几种不同结构的霍尔式转速传感器作业与思考题1．说明磁电式传感器的基本工作原理2．试通过转速测量系统的实例说明磁电式转速传感器的应用。3．磁电式振动传感器与磁电式转速传感器在工作原理上有什么区别？4．采用SZMB-3型磁电式传感器测量转速，当传感器输出频率为1KhZ的正弦波信号时，被测轴的转速是多少？5．磁电式传感器能否检测表面粗糙度？试绘出其原理图。6．请写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。7．为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？8．霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系？9．写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。10．设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。要求画出磁路系统示意图和电路原理简图，并简要说明其工作原理。