第7章 磁电式传感器

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1、第7章磁电式传感器7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器7.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的传感器。有源传感器: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一般分为两种：磁电感应式:利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势霍尔式:载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势7.1.1磁电感应式传感器工作原理以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即若线圈相对磁场运动为速度v或角转度ω

2、时或在传感器中，当结构参数确定后，即B、l、W、s均为定值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比。两种磁电式传感器结构：1.变磁通式(磁阻式)角速度型测速电机图7-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式2.恒磁通式飞机振动模态分析7.1.2磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电流Io为（7-4)式中：Rf——测量电路输入电阻；R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为（7-5)图7-3磁电式传感器测量电路而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为(7-6)(7-7)当传感器的工

3、作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为(7-8)磁电式传感器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。1.非线性误差磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通φI，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。图7-4传感器电流的磁场效应2.温度误差当温度变化时，式（7-8）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定

4、于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（7-8）可得近似值如下：温度补偿通常采用热磁分流器：热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通比例较正常工作温度下显著降低，使空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。7.1.3磁电感应式传感器的测量电路图7-5磁电式传感器测量电路方框图磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器

5、是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则需要配用积分或微分电路。7.1.4磁电感应式传感器的应用1.动圈式振动速度传感器图7-6动圈式振动速度传感器2.磁电式扭矩传感图7-7磁电式扭矩传感器工作原理图图7-8磁电式传感器结构图当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差，与扭转轴的扭转角成正比。这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。7.2霍尔式传感器7.2.1霍尔效应及霍尔元件1.霍尔效应霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。置于磁场中的静止载流体中，若电流方向与磁

6、场方向不相同，则在载流体的垂直于电流与磁场方向所组成的两个侧面将产生电动势。这一现象为美国物理学家爱德文·霍尔于1879年发现，称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。bdEHIlBvfEfL－＋＋－称为霍尔系数，它是由基片材料的物理性质决定常数；灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势大小。fL=evBfE=eEH霍尔电势:若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=nevbd，即定向运动的

7、电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当fL=fE时，达到平衡，此时霍尔元件激励极间电阻电子迁移率μ:电子在电场作用下运动速度的大小，即在单位电场强度作用下电子的平均速度值同时霍尔元件材料金属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。霍尔元件材料1．锗(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。图7-10霍尔元件（a）外形结构示意图；（b）图形符号2.霍尔元件基本结构3.霍尔元件基本特性(1)额定激励

8、电流IH和最大允许激励电流使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值。以元件最大温升为限制所对应的激励电流（限制额定激励电流的主