第9讲 磁电式传感器应用.ppt

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1、传感器原理及应用主讲人：任爽主要内容：2.1磁电感应式传感器2.2霍尔式传感器2.3磁敏传感器传感器原理及工程应用第2章   磁电式传感器概述磁电式传感器是对磁场参量（如磁感应强度B、磁通Φ）敏感、通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的器件或装置。磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况。磁电式传感器机械能电量磁电感应式传感器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原理进行工作的。又被称为感应式传感器或电动式传感器。它是一种机电能量转换型传感器，工作时不需要外加电源，

2、可直接从被测物体吸取机械能量转换为电信号输出，属于有源传感器。特点：电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围（一般为10—1000Hz），适合于转速、振动、位移和扭矩等测量。但是这种传感器尺寸和重量都比较大。2.1磁电感应式传感器根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。2.1.1工作原理和分类1、恒定磁通式1、恒定磁通式B0：工作气隙磁感应强度；l：每匝线圈平均长度；N：线圈在工作气隙磁场中的匝数；v：相对运动速度。

3、开磁路变磁通式：结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。2、变磁通式闭磁路变磁通式：感应电势的频率与被测转速成正比。2.1.2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，如图所示，磁电传感器的输出电流Io为式中：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而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为当传感器的工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，其相对误差为为了保证传感器输出的线性度，要

4、保证线圈始终在均匀磁场内运动。提高灵敏度方法：选用具有磁能积较大的永久磁铁；尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加ｌ和N，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。2.1.3磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，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。二、磁电感应式传感器的应用1.测速转轴三、磁电感应式传感器的应用2.振动测量磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度，磁路气

5、隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势输出不从零开始，从Va开始:1.V＞Va必需克服静摩擦力,才能相对运动；2.V>Vc惯性太大超过范围振动传感器输出特性3磁电式扭矩传感器4电磁流量计概述霍尔传感器属于磁敏元件，是基于霍尔效应工作，把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。磁敏传感器磁学量电信号7.2霍尔式传感器7.2霍尔式传感器一、霍尔效应和霍尔元件的工作原

6、理在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。1、霍尔效应UHbldIFLFEvB2、霍尔元件的工作原理设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时洛仑兹力：FL=-evB电场作用于电子的电场力为当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有eEH=evB故霍尔电场的强度为EH=vB所以，霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvn（

7、-e）v=-I/nebd所以：UH=-BI/nedn—N型半导体中的电子浓度p—P型半导体中的空穴浓度P型半导体3、霍尔系数及灵敏度N型霍尔系数P型霍尔系数ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率霍尔系数由半导体材料性质决定，且决定霍尔电势的强弱。N型材料电阻率P型材料电阻率说明什么讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件？金属材料电子μ很高但ρ很小；绝缘材料ρ很高但μ很小;故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。霍尔元件灵敏度KH=RH/dUH＝KHIB单位磁

8、感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。单位是mV/（mA·T）意义：与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：VH＝KHIBcosθ霍尔器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。霍尔器件符号HABCDABCDBACDC、D：霍耳输出端，称为霍尔端或输出端。A、B：电极端，称为元件电流端、控制电流端或输入电流端。红色导线红色导线绿色导线绿色导线