第五章磁电梁.pptx

5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁磁电电感感应应式式传传感感器器又又称称磁磁电电式式传传感感器器，是是利利用用电电磁磁感感应应原原理理将将被被测测量量（如如振振动动、位位移移、转转速速等等）转转换换成成电电信信号号的的一一种种传传感感器器。它它不不需需要要辅辅助助电电源源，就就能能把把被被测测对对象象的的机机械械量量转转换换成成易易于于测测量量的的电电信信号号，是是一一种种有有源源传传感感器器。由由于于它它输输出出功功率率大大，且且性性能能稳稳定定，具具有有一一定定的的工工作作带带宽宽（10101000 1000 HzHz），所所以以得得到到普遍应用。普遍应用。5.1.1 5.1.1 磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理 根根据据电电磁磁感感应应定定律律，当当导导体体在在稳稳恒恒均均匀匀磁磁场场中中，沿沿垂垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为 (5-1)式中式中:B:B稳恒均匀磁场的磁感应强度；稳恒均匀磁场的磁感应强度；ll导体有效长度；导体有效长度；vv导体相对磁场的运动速度。导体相对磁场的运动速度。当当一一个个W W匝匝线线圈圈相相对对静静止止地地处处于于随随时时间间变变化化的的磁磁场场中中时时，设设穿穿过过线线圈圈的的磁磁通通为为，则则线线圈圈内内的的感感应应电电势势e e与与磁磁通通变变化化率率d/dtd/dt有如下关系：有如下关系：根根据据以以上上原原理理，人人们们设设计计出出两两种种磁磁电电式式传传感感器器结结构构：恒恒磁磁通通式式和和变变磁磁通通式式。变变磁磁通通式式又又称称为为磁磁阻阻式式，图图5-15-1是是恒恒磁磁通通式式磁电传感器结构图。图磁电传感器结构图。图5-2 5-2 变磁通式磁电传感器结构图变磁通式磁电传感器结构图(5-2)图5-1 恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式(5-3)式中：式中：B B0 0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度；ll每匝线圈平均长度；每匝线圈平均长度；WW线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数；vv相对运动速度。相对运动速度。图5-2 变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路 5.1.2 5.1.2 磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性 当当测测量量电电路路接接入入磁磁电电传传感感器器电电路路时时，如如图图7-37-3所所示示，磁磁电电传传感器的输出电流感器的输出电流IoIo为为 （5-4)式中：式中：RfRf测量电路输入电阻；测量电路输入电阻；R R 线圈等效电阻。线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为（5-5)而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为(5-6)(5-7)当当传传感感器器的的工工作作温温度度发发生生变变化化或或受受到到外外界界磁磁场场干干扰扰、受受到到机机械械振振动动或或冲冲击击时时，其其灵灵敏敏度度将将发发生生变变化化，从从而而产产生生测测量量误误差差，其其相对误差为相对误差为(5-8)5.1.3 5.1.3 磁电感应式传感器的测量电路磁电感应式传感器的测量电路 图图7-5 7-5 磁电式传感器测量电路方框图磁电式传感器测量电路方框图 5.1.4 5.1.4 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 1.1.动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器 图图7-6 7-6 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器 图图7-7 7-7 磁电式扭矩传感器工作原理图磁电式扭矩传感器工作原理图2.2.磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器5.2.1 5.2.1 霍耳效应霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。生电动势的现象。+I+lwd dUHv vf fL L原因：原因：运动电荷受磁场洛运动电荷受磁场洛仑兹力的作用。仑兹力的作用。洛仑兹力：洛仑兹力：f fE E霍尔电场对载流子的作用力：霍尔电场对载流子的作用力：I I 称为控制电流称为控制电流 5.2 5.2 霍耳式传感器霍耳式传感器+I+lwd dUHv vf fL L洛仑兹力：洛仑兹力：f fE E霍尔电场的作用力：霍尔电场的作用力：洛仑兹力与电场力相等时，电荷的积累达到动态平衡。洛仑兹力与电场力相等时，电荷的积累达到动态平衡。有：有：又：又：n-n-单位体积内载流子数单位体积内载流子数所以：所以：其中：其中：为霍耳系数，由材料物理性质决定，反为霍耳系数，由材料物理性质决定，反映霍尔效应的强弱。映霍尔效应的强弱。金属材料，电子浓度金属材料，电子浓度n n很高，很高，不适于作霍尔器件不适于作霍尔器件。霍耳器件全部。霍耳器件全部采用半导体材料制成。采用半导体材料制成。令：令：则：则：K KH H 霍尔尔器件的灵敏度霍尔尔器件的灵敏度，除与材料特性有关外，与器件的厚度除与材料特性有关外，与器件的厚度成反比，减小厚度可以提高灵敏敏度。成反比，减小厚度可以提高灵敏敏度。但厚度太小会增大器件的输入输出电阻。但厚度太小会增大器件的输入输出电阻。若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，时，霍耳电霍耳电势势应为：应为：UH KHIBcos 注意：注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电霍耳电势的势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电霍耳电势并不势并不改变方向。改变方向。5.2.2 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍霍尔尔元元件件的的结结构构很很简简单单，它它是是由由霍霍尔尔片片、四四根根引引线线和和壳壳体体组组成成的的，如如图图7-10（a）所所示示。霍霍尔尔片片是是一一块块矩矩形形半半导导体体单单晶晶薄薄片片，引引出出四四根根引引线线：1、1两两根根引引线线加加激激励励电电压压或或电电流流，称称激激励励电电极极（控控制制电电极极）；2、2引引线线为为霍霍尔尔输输出出引引线线，称称霍霍尔尔电电极极。霍霍尔尔元元件件的的壳壳体体是是用用非非导导磁磁金金属属、陶陶瓷瓷或或环环氧氧树树脂脂封封装装的的。在在电电路中，路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图如图7-10（b）所示。）所示。图7-10 霍尔元件（a）外形结构示意图；（b）图形符号 5.2.3.霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 (1)额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当当霍霍尔尔元元件件自自身身温温升升10时时所所流流过过的的激激励励电电流流称称为为额额定定激激励励电电流流。以以元元件件允允许许最最大大温温升升为为限限制制所所对对应应的的激激励励电电流流称称为为最最大大允允许许激激励励电电流流。因因霍霍尔尔电电势势随随激激励励电电流流增增加加而而线线性性增增加加，所所以以使使用用中中希希望望选选用用尽尽可可能能大大的的激激励励电电流流，因因而而需需要要知知道道元元件件的的最最大大允允许许激激励励电电流流。改改善善霍霍尔尔元元件件的的散散热热条条件件，可可以以使使激激励励电流增加。电流增加。(2）输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激激励励电电极极间间的的电电阻阻值值称称为为输输入入电电阻阻。霍霍尔尔电电极极输输出出电电势势对对电电路路外外部部来来说说相相当当于于一一个个电电压压源源，其其电电源源内内阻阻即即为为输输出出电电阻阻。以以上上电电阻阻值值是是在在磁磁感感应应强强度度为为零零，且且环环境境温温度度在在205时时所所确定的。确定的。(3）不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当当霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电流流为为I时时，若若元元件件所所处处位位置置磁磁感感应应强强度度为为零零，则则它它的的霍霍尔尔电电势势应应该该为为零零，但但实实际际不不为为零零。这这时时测测得得的的空空载载霍霍尔尔电电势势称称为为不不等等位位电电势势，如如图图7-11所所示示。产产生生这这一一现现象象的原因有：的原因有：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半半导导体体材材料料不不均均匀匀造造成成了了电电阻阻率率不不均均匀匀或或是是几几何何尺尺寸寸不不均匀；均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。图7-11 不等位电势示意图 不等位电势也可用不等位电阻表示，不等位电势也可用不等位电阻表示，即即（7-19）式中：式中：U0不等位电势；不等位电势；r0不等位电阻；不等位电阻；I激励电流。激励电流。由由式式（7-19）可可以以看看出出，不不等等位位电电势势就就是是激激励励电电流流流流经经不等位电阻不等位电阻r0所产生的电压，所产生的电压，如图如图7-11所示。所示。(4）寄生直流电势寄生直流电势 在在外外加加磁磁场场为为零零、霍霍尔尔元元件件用用交交流流激激励励时时，霍霍尔尔电电极极输输出出除除了了交交流流不不等等位位电电势势外外，还还有有一一直直流流电电势势，称称为为寄寄生生直直流流电电势势。其产生的原因有：其产生的原因有：激激励励电电极极与与霍霍尔尔电电极极接接触触不不良良，形形成成非非欧欧姆姆接接触触，造造成整流效果；成整流效果；两两个个霍霍尔尔电电极极大大小小不不对对称称，则则两两个个电电极极点点的的热热容容不不同同，散热状态不同而形成极间温差电势。散热状态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。因之一。(5）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在在一一定定磁磁感感应应强强度度和和激激励励电电流流下下，温温度度每每变变化化1时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的的百百分分率率称称为为霍霍尔尔电电势势温温度度系系数数。它它同同时时也也是是霍霍尔尔系系数的温度系数。数的温度系数。5.2.4 霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不不等等位位电电势势与与霍霍尔尔电电势势具具有有相相同同的的数数量量级级，有有时时甚甚至至超超过过霍霍尔尔电电势势，而而实实用用中中要要消消除除不不等等位位电电势势是是极极其其困困难难的的，因因而而必必须须采采用用补补偿偿的的方方法法。分分析析不不等等位位电电势势时时，可可以以把把霍霍尔尔元元件件等等效效为一个电桥，为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。用分析电桥平衡来补偿不等位电势。图图7-12为为霍霍尔尔元元件件的的等等效效电电路路，其其中中A、B为为霍霍尔尔电电极极，C、D为为激激励励电电极极，电电极极分分布布电电阻阻分分别别用用r1、r2、r3、r4表表示示，把把它它们们看看作作电电桥桥的的四四个个桥桥臂臂。理理想想情情况况下下，电电极极A、B处处于于同同一一等等位位面面上上，r1=r2=r3=r4，电电桥桥平平衡衡，不不等等位位电电势势U0为为0。实实际际上上，由由于于A、B电电极极不不在在同同一一等等位位面面上上，此此四四个个电电阻阻阻阻值值不不相相等等，电电桥桥不不平平衡衡，不不等等位位电电势势不不等等于于零零。此此时时可可根根据据A、B两两点点电电位位的的高高低低，判判断断应应在在某某一一桥桥臂臂上上并并联联一一定定的的电电阻阻，使使电电桥桥达达到到平平衡衡，从从而而使使不不等等位位电电势势为为零零。几几种种补补偿偿线线路路如如图图7-13所所示示。图图（a）、（b）为为常常见见的的补补偿偿电电路路，图图（b）、（c）相相当当于于在在等等效效电电桥桥的的两两个个桥桥臂臂上上同同时时并并联联电电阻阻，图图（d）用用于于交交流流供供电电的情况。的情况。图7-12 霍尔元件的等效电路 图7-13 不等位电势补偿电路 5.2.5 霍尔元件温度补偿霍尔元件温度补偿 霍霍尔尔元元件件是是采采用用半半导导体体材材料料制制成成的的，因因此此它它们们的的许许多多参参数数都都具具有有较较大大的的温温度度系系数数。当当温温度度变变化化时时，霍霍尔尔元元件件的的载载流流子子浓浓度度、迁迁移移率率、电电阻阻率率及及霍霍尔尔系系数数都都将将发发生生变变化化，从从而而使使霍霍尔尔元元件产生温度误差。件产生温度误差。为为了了减减小小霍霍尔尔元元件件的的温温度度误误差差，除除选选用用温温度度系系数数小小的的元元件件或或采采用用恒恒温温措措施施外外，由由UH=KHIB可可看看出出：采采用用恒恒流流源源供供电电是是个个有有效效措措施施，可可以以使使霍霍尔尔电电势势稳稳定定。但但也也只只能能是是减减小小由由于于输输入入电电阻随温度变化所引起的激励电流阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。的变化的影响。霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏系系数数KH也也是是温温度度的的函函数数，它它随随温温度度变变化化将将引引起起霍霍尔尔电电势势的的变变化化。霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度系系数数与与温温度度的的关关系系可可写成写成 KH=KH0(1+T)（7-20）式中：KH0温度T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；霍尔电势温度系数。大大多多数数霍霍尔尔元元件件的的温温度度系系数数是是正正值值，它它们们的的霍霍尔尔电电势势随随温温度度升升高高而而增增加加T倍倍。但但如如果果同同时时让让激激励励电电流流Is相相应应地地减减小小，并并能能保保持持KH Is 乘乘积积不不变变，也也就就抵抵消消了了灵灵敏敏系系数数KH增增加加的的影影响响。图图7-14就就是是按按此此思思路路设设计计的的一一个个既既简简单单，补补偿偿效效果果又又较较好好的的补补偿偿电电路路。电电路路中中Is为为恒恒流流源源，分分流流电电阻阻Rp与与霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电极极相相并并联联。当当霍霍尔尔元元件件的的输输入入电电阻阻随随温温度度升升高高而而增增加加时时，旁旁路路分分流流电电阻阻Rp自自动动地地增增大大分分流流，减减小小了了霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电流流IH，从从而达到补偿的目的。而达到补偿的目的。图7-14 恒流温度补偿电路 在图7-14所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，根据分流概念得（7-21）当温度升至T时，电路中各参数变为（7-22）（7-23）式中：霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。则（7-24）虽然温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则 KH0IH0B=KHIHB（7-25）有 KH0IH0=KHIH（7-26）将式（7-20）、（7-21）、（7-24）代入上式，经整理并略去(T)2高次项后得（7-27）当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（7-27）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。5.2.6 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 1.霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器 2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器3.霍尔计数装置霍尔计数装置