《(第6章) 磁电式传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(第6章) 磁电式传感器.ppt（26页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第6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,磁电式传感器：利用磁的变化将被测量的振动、 位移、转速转换成电信号的一种 传感器。 常用的传感器：磁电感应式传感器和霍尔传感器,6.1 磁电感应式传感器,磁电感应式传感器（感应式传感器）： 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，是一种有源传感器。 由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。,6.1.1 磁电感应式传感器工作原理 根据电磁感应定律， 当导体在均匀磁场中，沿垂直
2、磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为,B、l、v的含义。,当一个N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有如下关系：,根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：恒磁通式和变磁通式。变磁通式又称为磁阻式。,1恒磁通式传感器,磁路系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（图6-1（a）和动铁式（图6-1(b)）的工作原理是完全相同的。,图6-1 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式,原理： 当壳体随
3、被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（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， 从而产生感应电势为,2变磁通式传感器,图6-2（a）为开磁路变磁通式：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，其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，且因高速轴上加装齿
4、轮较危险而不宜测量高转速的场合。,图6-2 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路,图6-2(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。,测量电路： 磁电式传感器可以直接输出感应电动势信号。适用于动态测量，可直接测量振动物体的速度或旋转体的角速度。（位移或加速度）,应用： 1、磁电感应式振动传感器 2、磁电
5、感应式转速传感器 3、磁电感应式扭矩传感器,6.2 霍尔式传感器,6.2.1霍尔传感器工作原理 霍尔效应：在金属或半导体薄片的两端通过控制电流， 并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直 于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔 电势），这种现象称为霍尔效应。,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。,霍尔电场强度：,洛伦磁力：,电场力与洛伦磁力相等：,金属板单位体积内电子数为n，电子速度为v，则,电流：,得：,由上得：,-霍尔常数,-霍尔片的灵敏度,说明： 1、霍尔常数大小取决于导体的载流子密度。 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小， 所以金属材料不宜制作霍尔元
6、件。 2、霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,3、半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴 迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍 尔元件，,霍尔元件的基本结构和基本电路,结构：霍尔元件是一种四端型器件,霍尔元件,霍尔元件基本特征,(1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻 输出电阻：霍尔电极之间的电阻 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升为限制 所对应的控制电流值,(3) 不等位电势Uo和不等位电
7、阻ro 不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。 r 0称不等位电阻,(4) 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍 尔电极的输出有一个直流电势 控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接 触时，会产生整流效应。 两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同 产生温差电势 (5) 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1C 时，霍尔电势变化的百分率（负温度特性）,6.2.2霍尔传感器的应用,霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电
8、动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。,霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,