第9讲 磁电式传感器应用

传感器原理及工程应用东北石油大学传感器原理及应用主讲人：任爽集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用主要内容：2.1磁电感应式传感器2.2霍尔式传感器2.3磁敏传感器传感器原理及工程应用第2章磁电式传感器集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用概述磁电式传感器是对磁场参量（如磁感应强度B、磁通Φ）敏感、通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的器件或装置。磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况。磁电式传感器机械能电量集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的原理进行工作的。又被称为感应式传感器或电动式传感器。它是一种机电能量转换型传感器，工作时不需要外加电源，可直接从被测物体吸取机械能量转换为电信号输出，属于有源传感器。特点：电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围（一般为10—1000Hz），适合于转速、振动、位移和扭矩等测量。但是这种传感器尺寸和重量都比较大。2.1磁电感应式传感器集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。deNdt2.1.1工作原理和分类eNBlveNBS、恒定磁通式、恒定磁通式lNBe0B0：工作气隙磁感应强度；l：每匝线圈平均长度；N：线圈在工作气隙磁场v：相对运动速度。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用开磁路变磁通式：结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。NS2、变磁通式集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用AA闭磁路变磁通式：感应电势的频率与被测转速成正比。磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流Io为offENBlvIRRRR式中：Rf——测量电路输入电阻；R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为oIfINBlSvRRER传感器IoRf当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为RdRldlBdBSdSII集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。提高灵敏度方法：选用具有磁能积较大的永久磁铁；尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加ｌ和N，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用二、磁电感应式传感器的应用1.测速转轴集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用三、磁电感应式传感器的应用2.振动测量磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度，磁路气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用输出不从零开始，从Va开始:1.V＞Va必需克服静摩擦力,才能相对运动；2.VVc惯性太大超过范围振动传感器输出特性集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用4电磁流量计集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用概述霍尔传感器属于磁敏元件，是基于霍尔效应工作，把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，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。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量电信号7.2霍尔式传感器集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。1、霍尔效应、霍尔元件的工作原理集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时洛仑兹力：FL=-evBbeUeEfHHE/电场作用于电子的电场力为当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有eEH=evB故霍尔电场的强度为EH=vB集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用所以，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=bdvn（-e）v=-I/nebd所以：UH=-BI/nedn—N型半导体中的电子浓度pedIBUH/p—P型半导体中的空穴浓度P型半导体、霍尔系数及灵敏度neRH1peRH1N型霍尔系数P型霍尔系数dIBRUHHHRρ—材料电阻率μ—载流子迁移率霍尔系数由半导体材料性质决定，且决定霍尔电势的强弱。en1ep1N型材料电阻率P型材料电阻率说明什么集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？dIBUHHR金属材料电子μ很高但ρ很小；绝缘材料ρ很高但μ很小;故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。=RH/dUH＝KHIB单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。单位是mV/（mA·T）意义：与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：VH＝KHIBcosθ霍尔器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。、D：霍耳输出端，称为霍尔端或输出端。A、B：电极端，称为元件电流端、控制电流端或输入电流端。红色导线红色导线绿色导线绿色导线一般为4mm×2mm×0.1mm集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用二、霍尔传感器基本电路霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线，两端加激励两端为输出；•电源E，控制电流I；•负载RL，R可调保证控制电流，•B磁场与元件面垂直（向里）。实测中可把I*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Uo与I或B成正比关系。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用三、霍尔传感器的误差及补偿(1)不等位电势当霍尔元件通以控制电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0，但实际UH不等于0，这时测得的空载电势称不等位电势U0。①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。直流条件下测得的产生的原因：集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用在外加磁场为零、控制电流改为额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中交流霍尔电势与前述不等位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势。三、霍尔传感器的误差及补偿(2)寄生直流电势其产生的原因有：①控制电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果；②两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。霍尔元件的等效电路三、霍尔传感器的误差及补偿(3)不等位电势补偿ACBIDADCB集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用不等位电势的补偿三、霍尔传感器的误差及补偿(3)不等位电势补偿集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度T变化时，载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ，霍尔系数RH都会变化。000[1()][1]HtHHKKttKT（1）恒流源补偿：由UH=KHIB可见恒流源供电可使UH稳定，但灵敏度系数KH=RH/d=ρμ/d也是温度的函数；集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用具体补偿方法:在霍尔元件上并联一Rp分流三、霍尔传感器的误差及补偿(4)温度误差及补偿大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加αΔT倍。但如果同时让激励电流I相应地减小，并能保持KH·I乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中I为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及工程应用在如图所示