传感器原理及其应用-第6章-磁电式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,武汉理工大学机电工程学院,第6章 磁电式传感器,传感器原理及应用,6.1 磁电感应式传感器,磁电感应式传感器又称电动势式传感器，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。它是一种,机-电能量变换型,传感器，,不需要供电电源,，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为101000Hz)，所以得到普遍应用。,磁电感应式传感器是以,电磁感应原理,为基础的。由法拉第电磁感应定律可知，,N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势,E,(V)的大小取决于穿过线圈的磁通 的变化率，即,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；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般可将磁电感应式传感器分为,恒磁通式,和,变磁通式,两类。,6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理,恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。,磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度d,x/,d,t,成正比的感应电动势,E,，其大小为,式中：,N,为线圈在工作气隙磁场中的匝数；,B,为工作气隙磁感应强度；,l,为每匝线圈平均长度。,当传感器结构参数确定后，,N,、,B,和,l,均为恒定值，,E,与d,x/,d,t,成正比，根据感应电动势,E,的大小就可以知道被测速度的大小。,由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度(,E,/,v,)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。,不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10Hz左右，高的可达2kHz左右。,6.1.2 变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理,变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。,如图所示开磁路变磁通式转速传感器。测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，因而在线圈3中感应出交变的电势，其频率等于齿轮的齿数,Z,和转速,n,的乘积，即,式中：,Z,为齿轮齿数；,n,为被测轴转速(,v/min,)；,f,为感应电动势频率(,Hz,)。这样当已知,Z,，测得f,就知道,n,了。,开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外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。,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。,6.2 霍尔式传感器,霍尔式传感器是基于,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，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。,霍尔器件具有许多,优点,，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。,按照霍尔器件的功能可将它们分为：,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。,霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达,级)。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55+150。,6.2.1 霍尔传感器的工作原理,1霍尔效应,半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流,I,流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,E,H,，这种现象称为霍尔效应。,磁感应强度,B,为零时的情况,A,B,C,D,当有图示方向磁场B作用时,作用在半导体薄片上的磁场强度,B,越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势,E,H,可用下式表示：,E,H,=,K,H,IB,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,C,D,可以推出，霍尔电动势,U,H,的大小为：,式中：,k,H,为灵敏度系数，,k,H,=,R,H,/,d,，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小,与材料的物理特性（霍尔系数）和几何尺寸d有关；霍尔系数,R,H,1,/,(,nq,),，由材料物理性质所决定，,q,为电子电荷量；,n,为材料中的电子浓度。为磁场和薄片法线夹角。,结论：,霍尔电势与输入电流,I,、磁感应强度,B,成正比，且当,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。,金属材料中的自由电子浓度,n,很高，因此,R,H,很小，不宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的,N,型半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄(,d,越小)，,k,H,就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有1 左右。,2霍尔元件,霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，经研磨抛光然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。,(a)霍尔元件外形 (b)电路符号 (c)基本应用电路,3霍尔元件的主要特性及材料,1)霍尔元件的主要特性参数,(1)灵敏度,k,H,：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍尔电动势，单位为V/(AT)。,(2)霍尔输入电阻,R,in,：霍尔控制电极间的电阻值。,(3)霍尔输出电阻,R,out,：霍尔输出电极间的电阻值。,(4)霍尔元件的电阻温度系数：表示在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1时电阻的相对变化率，单位为%/。,(5)霍尔寄生直流电势,U,0：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动势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。,(6)霍尔最大允许激励电流,I,max,：以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。,2)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。表6-2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,材料单晶),禁带宽度,E,g/(eV),/(,cm),/(cm/Vs),霍尔系数,R,H,/(cmC,-1,),N型锗(Ge),0.66,1.0,3500,4250,4000,N型硅(Si),1.107,1.5,1500,2250,1840,锑化铟(InSb),0.17,0.005,60000,350,4200,砷化铟(InAs),0.36,0.0035,25000,100,1530,磷砷铟(InAsP),0.63,0.08,10500,850,3000,砷化镓(GaAs),1.47,0.2,8500,1700,3800,哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高,不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上。,6.2.2 霍尔元件的误差及补偿,1霍尔元件的零位误差与补偿,霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以下几种具体形式。,1)不等位电动势,不等位电动势是零位误差中最主要的一种，它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气中温升10所对应的电流)作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。,此外,霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不均匀，或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。,2)寄生直流电势,在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因有两个方面：(1)由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。(2)输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于锗霍尔元件，当交流控制电流为20mA时，输出电极的寄生直流电压小于100 。,3)感应零电动势,感应零电动势是在未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比，如图所示。,4)自激场零电动势,霍尔元件控制电流产生自激场，如图所示。由于元件的左右两半场相等，故产生的电动势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电流引线也产生磁场，使元件左右两半场强不等，因而有霍尔电动势输出，这一输出电动势即是自激场零电动势。,在上述的4种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误差，则必须通过补偿电路给予克服。,在理想情况下,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,，即可取得零位电动势为零(或零位电阻为零)，从而消除不等位电动势。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,R,P,或在两个臂上同时并联电阻,R,P,和,R,。,霍尔元件结构及等效电路如图,霍尔元件零位误差补偿电路,2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。,将温度每变化1时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率,R,i,/,R,o,称为内阻温度系数，用 表示。,将温度每变化1时，霍尔电压的相对变化率,U,Ht,/,U,H0,称为霍尔电压温度系数，用 表示。,哪种材料制作的霍尔元件温度误差小,几种温度误差的补偿方法,1)采用恒压源和输入回路串联电阻,补偿基本电路及等效电路如图,霍尔电压随温度变化的关系式为：,对上式求温度的导数得，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使外接电阻：,2)合理选择负载电阻,R,L,的阻值,霍尔元件的输出电阻,R,o,和霍尔电动势,U,H,都是温度的函数(设为正温度系数)，当霍尔元件接有负载,R,L,时，在,R,L,上的电压为：,为了负载上的电压不随温度变化，应使,d,U,L,/d(,t,-,t,0,)=0,，即,式中：,R,o0,为温度,t,0,时的霍尔元件输出电阻。,可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但霍尔元件的灵敏度将会降低。,3)采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝),这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器。,6.2.3 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霍尔元件基本电路连接方法,霍尔元件有无铁心型、铁心型、测试用探针霍尔集成电路等几种类型，有3脚、4脚、5脚元件等几种结构形式,如图是35脚(端子)的霍尔元件的基本电路连接方法。,(a)3脚元件 (b)4脚元件 (c)5脚元件,两种霍尔元件定电压驱动电路,两种霍尔元件定电流驱动电路,2霍尔集成电路,在一个晶片中形成有霍尔元件及放大并控制其,输出电压的电路,，而具有磁场-电气变换机能的固态组件称为霍尔集成电路。,霍尔集成电路的构造如图。,依输出信号的性质不同，霍尔集成电路可分为线性型和开关性型两类。线性型霍尔集成电路可以获得与磁场强度成正比的输出电压。磁场灵敏度虽然可利用电路的放大加以调节。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。,.,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,OC门,施密特触发电路,双端输入、单端输出运放,霍尔 元件,.,Vcc,开关型霍尔集成电路（,OC门输出）的与继电器的连接,3霍尔传感器在汽车中的应用,霍尔转速传感器,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。,S,N,霍尔器件,磁铁,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。,霍尔转速表的其他安装方法,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。,霍尔元件,磁铁,4磁场检测,磁场测量高斯计,5电流测量,霍尔钳形电流表,测量原理,6旋转参数测量,(a)径向磁极,(b)轴向磁极,(c)遮断式,7霍尔机械振动传感器,1霍尔元件；2平板；3顶杆；4触点；5外壳；6磁系统,8霍尔加速度传感器,6.3 磁栅式传感器,6.3.1 磁栅式传感器的工作原理和结构,磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号(正弦波或矩形波)用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。,1磁栅,1)磁栅的结构,2)磁栅的类型,磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，分别用于测量直线位移和角位移。,长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。,磁栅式传感器实物图,2磁头及其工作原理,磁头的作用是读取磁栅上的记录信号，按读取方式不同，磁头可分为动态磁头和静态磁头两种。,1)动态磁头,动态磁头又称速度响应磁头。它由铁镍合金材料制成的铁心和一组线圈组成，如图。,2)静态磁头,静态磁头是一种调制式磁头，又称磁通响应式磁头，它由铁心和两组线圈组成，如图所示。它与动态磁头的根本不同就是在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。,6.3.2 磁栅式传感器的信号处理方法,动态磁头只有一个磁头和一组线圈，利用磁栅与磁头间以一定速度的相对移动读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。检测电路也较为简单。,静态磁头在实际应用中总是成对使用，即用两个间距为的磁头，其中,n,为正整数，为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间相差90。其信号处理方式分为鉴幅和鉴相型两种，其中鉴相型信号处理方式应用广泛，,将一组磁头的励磁信号移相45(或把其输出信号移相90)，则两磁头输出电压分别为,两电压相加得总输出电压为,输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。,