《磁电式传感器教学课件PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁电式传感器教学课件PPT.ppt（32页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第7章 磁电式传感器 Magneto electric sensors,主要内容：,掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了 解其应用； 掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路； 能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。,磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的传感器。 磁电式传感器有 霍尔式传感器,磁电感应式传感器,7.1 磁电感应式传感器,被测量 感应电动势e,磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。 一般可将磁电感应式传感器分为变磁通式和恒磁通式两类。,磁电感应式传感器工作原理是发电机原理。利用导体和磁
2、场发生相对运动产生感应电势。,由法拉第电磁感应定律可知：,图7-2 变磁通磁电式传感器 1-被测旋转体；2-测量齿轮； 3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁,原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号：,一、 变磁通式,开磁路变磁通式转速传感器,式中，Z齿轮的齿数；n转速(r/min)； f感应脉冲信号频率,f=Zn/60,特点：结构简单、但输出信号小，高速轴上加装齿轮较危险，当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。 在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。,结构：由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。,f=Zn/60 式中， Z齿轮的齿数； n转速(r/min)； f
3、感应脉冲信号频率,原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号,闭磁路变磁通式转速传感器,可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度,二、 恒磁通式,结构：磁路系统 、线圈。,图7-1 恒磁通磁电式传感器结构原理图 （a）动圈式;（b）动铁式,原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v 感应 电动势e,2振动测量,1、8圆形弹簧片；2圆环形阻尼器；3永久磁铁；4铝架；5心轴；6工作线圈；7壳体；9引线,三、 磁电感应式传感器的应用,1转速测量,3扭矩测量,当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的
4、两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差 。扭转角 与感应电动势相位差的关系为：,式中：z为传感器定子、转子的齿数。,7.2 霍尔式传感器,工作原理：是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器。 特点：霍尔传感器具有体积小、无触点、可靠性高、使用寿命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。 应用：霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机、电机以及新兴消费电子领域。,磁场 电压UH,翻盖或滑盖手机中的应用 用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器,在滑盖手机中，在上盖对应的位置有一个磁铁，霍尔传感器就在磁铁对应的主板正面或反面，
5、用磁铁来控制霍尔传感器信号的输出。 当合上滑盖时，传感器输出低电平作为中断信号到CPU，强制手机退出正在运行的程序；,当打开滑盖时，传感器输出高电平，手机解锁，接通正在打入的电话。,把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。 所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。,霍尔效应原理图,7.2.1 霍尔效应及霍尔元件,1.霍尔效应,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。,A,B,
6、C,D,在磁场B中运动的电子将受到洛伦兹力fL：fL=evB 建立的电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE： 平衡时，fL=fE，即： evB= eUH /b 由于电流密度J=-nev，则电流强度为I=-nevbd 所以得到：,d霍尔片厚度； n电子浓度； RH=1/ne霍尔系数； KH=RH/d=1/ned霍尔灵敏度。,(7-1),霍尔效应产生机理：,fE=eEH=eUH /b,霍尔电势UH与输入电流I、磁感应强度B成正比； 当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变； 如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,1.对于金属而言，n很大，所以RH很小，而半导体尤其是N型半
7、导体RH则较大；所以霍尔元件多用N型半导体。 2. 因为kH = RH /d ，霍尔元件越薄（即d越小）， kH就越大，所以霍尔元件都比较薄，薄膜霍尔元件厚度只有m左右。,结构与选材：,因此、霍尔元件多用N型半导体薄片,霍尔元件的材料： 锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓(GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。下表所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。,电阻率,电子迁移率,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,外形,符号,基本测量电路,结构,2霍尔元件基本结构,3霍尔元件基本特性,额定激励电流Ic：当霍尔元件自身温升10C时所流过的激励电流
8、称为额定激励电流。 霍尔输入电阻Ri：霍尔控制电极间的电阻值。 霍尔输出电阻R0：霍尔输出电极间的电阻值。 不等位电势U0和不等位电阻R0 ：霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔电极间的电势为不等位电势U0，一般U0 10mV。等效为不等位电阻R0= U0 /Ic。 霍尔电势温度系数 ：为温度变化1C时，霍尔电势变化的百分率（%/C） 寄生直流电势：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一支流电势，称,不等位电动势产生的原因： 霍尔电极焊接位置不对称或不能完全位于同一等位面上。 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀 激励电极接触不
9、良造成激励电流不均匀分布。,4霍尔元件的不等位电动势与补偿,不等位电动势：如图当控制电流I 流过时,即使未加外磁场,C、D 两电极此时仍存在电位差,此电位差被称为不等位电势U0。是零位误差中最主要的一种。它与霍尔电势具有相同数量级。,通过补偿电路来克服。,在理想情况下R1=R2=R3=R4，即可取得零位电动势为零(或零位电阻为零) 。 实际上，若存在零位电动势，则说明此4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R。,将霍尔元件等效为一个电桥电路如图，用分析平衡电桥方法来补偿：,霍尔元件不等位电动势补偿：,霍尔元件不等位电
10、势补偿电路,5霍尔元件的温度误差及补偿 与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入、输出、电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。,选用温度系数小的霍尔元件,采用恒流源供电、分流电阻法 采用恒流源和输入回路串联电阻 采用温度补偿元件,采用适当的补偿电路,减小温度误差方法：,采用恒流源供电，分流电阻法：,=KH0IH0B=KHIHB=,由等式：,得并联电阻初值：,7.2.2 霍尔传感器的应用,霍尔元件具有结构牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点。 目前，霍尔传感器是全球使用量排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以及新兴消费电子领域中。,1. 霍尔式微位移传感器：,2. 霍尔式压力传感器：,3.霍尔式转速传感器,汽车速度测量,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； 当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,4. 霍尔计数装置,霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上。 集成霍尔元件分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。,5.霍尔钳形电流表,测量原理,