传感器技术-第五章-磁电式传感器

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1、磁电式传感器是利用电磁感应原理将输入运动速度或磁量的变化转换成感应电势输出的传感器。磁电式传感器是一种自源型传感器。也称感应式传感器，电动式传感器(机-电能量变换型传感器)。由于它有较大的输出功率，故不需要外部供电电源，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10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。这种传感器的尺寸和重量都较大。返回下一页根据法拉第电磁感应定律，w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的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ

2、的变化率，即：dewdt磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为变磁通式和恒定磁通式，即磁阻式传感器和动圈式传感器。构成测量线速度和角速度的传感器。l变磁通式：线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动着的被测物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁通量变化从而在线圈中产生感应电势。l恒磁通式：恒定的直流磁场，磁场中的工作气隙固定不变，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。线圈与磁铁间存在相对运动，线圈切割磁力线产生与相对

3、速度v成比例的感应电势e。图为变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同线圈截面积为A，最样周期性变化，则在线圈中产生大与最小磁感应强度之差感应电动势，其频率f与测量齿为B，W为线圈匝数。感应电势e为：轮转速n(r/min)成正比，即eAWBcos2tf=n/60。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达

4、100Hz。恒定磁通式磁电传感器l工作原理：当壳体随被测振动体一起振动时，使永久磁铁与线圈产生相对运动，切割磁力线，相对运动速度接近于振动体振动速度。切割磁力线产生感应电势e：eBlWvev0a其中：B工作气隙磁感应强度l每匝线圈的平均长度0aW线圈在工作气隙磁场中的匝数v相对运动速度当传感器结构确定后，电势e只与速度v有关，传感器灵敏度：esBlBlwav能感受磁场的变化，并将其转换为电信号输出。5.5.1霍尔元件及霍尔效应1.霍尔效应置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不

5、一致时，在平行于电流和磁场的两个面之间产生电动势(霍尔电势)。dabc当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向后侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。具体分析：①电子沿电流反方向定向运动②电子在FL的作用下漂移，在两侧累积形成附加内电场EH，称为霍尔电场。UHEHUH电位差UHb霍尔电场使定向运动的电子除了受FL作用外，还受霍尔电场力FE作用，霍尔电场力阻止电荷继续积累。随着电荷积累的增加，霍尔电场力也增大，当FL=FE时，电荷不再积累，达到平衡状态。电荷积累达到平衡状态时eEe

6、BvEvBHHI激励电流：Inevbd，vnebdn金属导体中电子密度，v电子定向运动平均速度IBEvBHnebdIBIB1IBUEbbHHnebdnedned令R1ne，称之为霍尔常数，HIB则：URHHdR大小取决于导体载流子密度n，n越大则R越小，HH因而金属不适合做霍尔传感器1IBIBRH霍尔电势URIBHHneddd令KRd，称为霍尔片的灵敏度。HH则：UKIBHHd则K薄片形状，越薄越好H霍尔元件的长度和宽度可以小到几十微米，厚度可以小到几个微米

7、，故可将霍尔元件和配套电路集成在一块芯片上。IB霍尔传感器原理表达式：URKIBHHHd为何不用：UbEbvBHHl各种材料的霍尔常数RH霍尔元件激励极之间的电阻Rlslbd另外，设激励电压为U,相应的电场为E,则：ElRUIElIElnevbdvnebd将电子迁移率v/E代入上式，则：Rlnebdll1111则有：RHbdnebdneneRHRH则R，霍尔效应强H金属：大，小；绝缘材料：小，大；半导体霍尔效

8、应最强。而且半导体中电子的迁移率比空穴迁移率高，因而N型半导体更适合制作灵敏度高的霍尔元件lN型锗、硅：霍尔系数大、温度性能、线性度好5.5.2霍尔元件主要特性参数结构：霍尔片、四根引线、壳体；矩形半导体单晶薄片；壳体用非导磁材料封装。两种表示符号(1)乘积灵敏度KH，即单位磁感应强度和单位控制电流情况下得到的开路霍尔电势；(2)额定控制(激励)电流I：使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值，受限于