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1、传感器第五章第1页，共36页，编辑于2022年，星期四恒定磁通式恒定磁通式结构如图。它由永久磁铁（磁钢）、线圈、金属骨架和壳结构如图。它由永久磁铁（磁钢）、线圈、金属骨架和壳体组成。体组成。（动圈式）（动圈式）（动铁式）（动铁式）第2页，共36页，编辑于2022年，星期四工作原理：工作原理：测量时，壳体随被测物体一起振动，由于动圈质量较大故惯性较测量时，壳体随被测物体一起振动，由于动圈质量较大故惯性较大，且连接弹簧较软，若振动频率较高，则动圈来不及跟随一起振动近大，且连接弹簧较软，若振动频率较高，则动圈来不及跟随一起振动近于静止不动。所以在永久磁铁与线圈间有接近于振动体振动速度的相对于静止不动
2、。所以在永久磁铁与线圈间有接近于振动体振动速度的相对速度。这样，线圈将切割永久磁铁产生的磁力线而产生感生电动势。速度。这样，线圈将切割永久磁铁产生的磁力线而产生感生电动势。显然，当传感器结构参数确定后，显然，当传感器结构参数确定后，B、l、N0 均为一定，则电动势均为一定，则电动势e与振动速度与振动速度v成正比。成正比。第3页，共36页，编辑于2022年，星期四变磁通式变磁通式结构如图。由测量轮（固定在被测物体上）、软铁、结构如图。由测量轮（固定在被测物体上）、软铁、线圈、永久磁铁组成。线圈、永久磁铁组成。（开磁路变磁通式）（开磁路变磁通式）（闭磁路变磁通式）（闭磁路变磁通式）第4页，共36页
3、，编辑于2022年，星期四工作原理工作原理测量轮随被测物旋转，磁路中的空气隙将随之变化，磁路的磁阻将随测量轮随被测物旋转，磁路中的空气隙将随之变化，磁路的磁阻将随之变化，磁路中磁通也随之变化，则线圈中磁通也随之变化，线圈中之变化，磁路中磁通也随之变化，则线圈中磁通也随之变化，线圈中将产生感生电动势。因测量轮旋转一周，磁路磁阻也周期性变化二周，将产生感生电动势。因测量轮旋转一周，磁路磁阻也周期性变化二周，线圈中感生电动势也周期性的变化二周，则测量轮转速与输出感应电线圈中感生电动势也周期性的变化二周，则测量轮转速与输出感应电动势频率为如关系为：动势频率为如关系为：第5页，共36页，编辑于2022年
4、，星期四二、设计要点二、设计要点设计此类型传感器要注意如下问题设计此类型传感器要注意如下问题1、合理选择工作气隙的大小、合理选择工作气隙的大小影响磁场强度影响磁场强度理论证明理论证明,永久磁铁产生的磁感应强度永久磁铁产生的磁感应强度B0与下列因素有关。与下列因素有关。第6页，共36页，编辑于2022年，星期四影响线圈体积影响线圈体积气隙体积大，气隙间线圈体积可大，匝数气隙体积大，气隙间线圈体积可大，匝数可多，灵敏度提高，但同时也存在下列问题。可多，灵敏度提高，但同时也存在下列问题。第7页，共36页，编辑于2022年，星期四2、永久磁铁的选择、永久磁铁的选择材料选择材料选择 高剩磁、低矫顽力。如
5、镍钢、钴钢等。高剩磁、低矫顽力。如镍钢、钴钢等。工艺选择工艺选择 依传感器设计磁铁形状，尽可能使体积大。依传感器设计磁铁形状，尽可能使体积大。稳定性处理稳定性处理 时效处理、高低温处理、反复磁化、振动时效处理、高低温处理、反复磁化、振动 冲击。冲击。第8页，共36页，编辑于2022年，星期四3、线圈绕组设计、线圈绕组设计骨架问题骨架问题 导电材料作骨架，由于电磁阻尼作用而使非线性导电材料作骨架，由于电磁阻尼作用而使非线性误差增加。故一般用绝缘材料作骨架。误差增加。故一般用绝缘材料作骨架。线圈尺寸线圈尺寸 保证线圈与磁路具有一定间隙前提下，尽量使其体积保证线圈与磁路具有一定间隙前提下，尽量使其体
6、积大（大（Nk ）线圈与磁铁相对运动范围线圈与磁铁相对运动范围 不能使线圈超出磁场范围（如图）不能使线圈超出磁场范围（如图）线圈的电气特性线圈的电气特性 主要是线圈内阻主要是线圈内阻R，要考虑，要考虑R的温升和与后续电路匹配。的温升和与后续电路匹配。第9页，共36页，编辑于2022年，星期四三、误差因素三、误差因素 （动圈式为例，动圈可等效如图电路）（动圈式为例，动圈可等效如图电路）第10页，共36页，编辑于2022年，星期四第11页，共36页，编辑于2022年，星期四主要误差因素：主要误差因素：线圈的线圈的“磁场效应磁场效应”；气隙磁场的空间分布不均匀；气隙磁场的空间分布不均匀；温度变化引起
7、。温度变化引起。第12页，共36页，编辑于2022年，星期四四、应用四、应用一、振动速度传感器一、振动速度传感器结构原理如图。结构原理如图。质量块（阻尼器质量块（阻尼器+线圈）由弹簧片支承悬于传感器的壳体中，线圈）由弹簧片支承悬于传感器的壳体中，壳体与永久磁铁构成磁路固定在被测物体上。当壳体随被测物体壳体与永久磁铁构成磁路固定在被测物体上。当壳体随被测物体振动时，质量块相对静止而与壳体间形成相对运动，线圈切割磁振动时，质量块相对静止而与壳体间形成相对运动，线圈切割磁力线而产生感应电动势力线而产生感应电动势e。其大小为：。其大小为：v质量块对壳体的相对速度质量块对壳体的相对速度第13页，共36页
8、，编辑于2022年，星期四被测速度被测速度vx与质量块相对于壳体相对速度与质量块相对于壳体相对速度v的关系。的关系。质量块受力情况如图，对于以质量块受力情况如图，对于以壳体为参照系的非惯性坐标系有：壳体为参照系的非惯性坐标系有：第14页，共36页，编辑于2022年，星期四两边进行拉氏变换有：两边进行拉氏变换有：第15页，共36页，编辑于2022年，星期四第16页，共36页，编辑于2022年，星期四第二节第二节 霍尔式传感器霍尔式传感器运用运用“霍尔效应霍尔效应”而将被测量转换为电压输出的传感器。而将被测量转换为电压输出的传感器。一、工作原理与特性一、工作原理与特性1、霍尔效应、霍尔效应金属或半
9、导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。（如图）场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。（如图）第17页，共36页，编辑于2022年，星期四第18页，共36页，编辑于2022年，星期四设电流密度为设电流密度为j，则有：，则有：若若B与薄片有一夹角与薄片有一夹角，则：，则：VH=kHIBcos 显然，通过此关系可以实现测量磁场显然，通过此关系可以实现测量磁场B或电流或电流I的目的。的目的。第19页，共36页，编辑于2022年，星期四二、霍尔元件二、霍尔元件由薄片、引线、电极
10、组成。（如图）由薄片、引线、电极组成。（如图）（结构图）（结构图）（外形图）（外形图）（符号）（符号）（基本电路）（基本电路）第20页，共36页，编辑于2022年，星期四制作要求：制作要求：焊点要求是欧姆接触焊点要求是欧姆接触 纯电阻接触，无结效应；纯电阻接触，无结效应；接触点要点接触接触点要点接触 接触面要小，接触点电容小；接触面要小，接触点电容小；注意薄片的内阻特性注意薄片的内阻特性 UH与与I、B、Ri有关，电极焊接点要四点对称。有关，电极焊接点要四点对称。第21页，共36页，编辑于2022年，星期四三、误差补偿三、误差补偿（一）零位误差及补偿（一）零位误差及补偿零位误差零位误差 霍尔元
11、件在没有外磁场作用时，仍有电压输出。霍尔元件在没有外磁场作用时，仍有电压输出。即：即：零位误差零位误差不等位电动势；不等位电动势；寄生直流电动势。寄生直流电动势。第22页，共36页，编辑于2022年，星期四1、不等位电动势及其补偿、不等位电动势及其补偿不等位电动势不等位电动势 由于霍尔输出端两侧电极点不能完全位于同一等由于霍尔输出端两侧电极点不能完全位于同一等位面上，而产生的电动势输出。位面上，而产生的电动势输出。电极不对称，而造成两侧电极不在同一等位面上。电极不对称，而造成两侧电极不在同一等位面上。电极对称，但因霍尔片电阻率不均匀，厚薄不均匀，电极对称，但因霍尔片电阻率不均匀，厚薄不均匀，控
12、制电流的电极接触不良而造成等位面歪斜。控制电流的电极接触不良而造成等位面歪斜。第23页，共36页，编辑于2022年，星期四补偿补偿 霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图。对于电桥，可以通过在桥臂上并联可调电阻。如图。对于电桥，可以通过在桥臂上并联可调电阻。如图。对称补偿温度稳定性好。对称补偿温度稳定性好。第24页，共36页，编辑于2022年，星期四2、寄生直流电动势、寄生直流电动势寄生直流电动势寄生直流电动势 当霍尔片采用交流供电，则霍尔不当霍尔片采用交流供电，则霍尔不等位电动势输出除了有交流不等位电动势外，等位电动势输出除了有交流不等位电动势外，还有直流电动
13、势分量，此直流电动势分量称还有直流电动势分量，此直流电动势分量称为寄生直流电动势。为寄生直流电动势。寄生直流电动势是由于电极接触点寄生直流电动势是由于电极接触点的结效应、接触点的电容效应、及焊点大小的结效应、接触点的电容效应、及焊点大小不等、热容量不同而产生的。不等、热容量不同而产生的。补偿补偿 尽量使电极欧姆接触，器件散热均匀，尽量使电极欧姆接触，器件散热均匀，引线分布合理。引线分布合理。第25页，共36页，编辑于2022年，星期四(二）霍尔元件的温度误差及其补偿二）霍尔元件的温度误差及其补偿 一般半导体霍尔片的电阻率（一般半导体霍尔片的电阻率（）、迁移率）、迁移率()、浓度浓度(n)等都随
14、温度变化而变化。等都随温度变化而变化。所以，温度的变化将致使霍尔电动势输出变化而产生温所以，温度的变化将致使霍尔电动势输出变化而产生温度误差。为减小温度误差可使用温度补偿电路，下面介度误差。为减小温度误差可使用温度补偿电路，下面介绍几种温度误差补偿方法。绍几种温度误差补偿方法。第26页，共36页，编辑于2022年，星期四1、采用恒流源供电和输入电路并联电阻、采用恒流源供电和输入电路并联电阻补偿电路如图。补偿电路如图。采用恒流源供电且并联一个电阻采用恒流源供电且并联一个电阻RP，则温度稳定性提高，则温度稳定性提高第27页，共36页，编辑于2022年，星期四第28页，共36页，编辑于2022年，星
15、期四为使霍尔电动势不随温度变化而变化，必须保证为使霍尔电动势不随温度变化而变化，必须保证t0和和t时时的霍尔电动势相等。的霍尔电动势相等。显然，选取显然，选取RP使其满足上式，可使温度误差减到极小。使其满足上式，可使温度误差减到极小。第29页，共36页，编辑于2022年，星期四2、合理选取负载电阻的阻值、合理选取负载电阻的阻值如图。霍尔元件输出端接负载如图。霍尔元件输出端接负载RL（放大器）（放大器）第30页，共36页，编辑于2022年，星期四 由上式可知，通过串、并联电阻的方法使上式成立来由上式可知，通过串、并联电阻的方法使上式成立来实现补偿温度误差的目的。实现补偿温度误差的目的。第31页，
16、共36页，编辑于2022年，星期四3、采用恒压源和输入回路中串联电阻、采用恒压源和输入回路中串联电阻补偿电路如图。补偿电路如图。第32页，共36页，编辑于2022年，星期四为使霍尔电动势不随温度变化而变化，必须保证为使霍尔电动势不随温度变化而变化，必须保证t0和和t时的霍尔电动势相时的霍尔电动势相等。等。显然，选取显然，选取RS使其满足上式，可使温度误差减到极小。使其满足上式，可使温度误差减到极小。第33页，共36页，编辑于2022年，星期四4、采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）、采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）如图为四种补偿电路。如图为四种补偿电路。补偿元件的阻值变化与霍尔元件的阻值变化要保证输出稳定。补偿元件的阻值变化与霍尔元件的阻值变化要保证输出稳定。第34页，共36页，编辑于2022年，星期四5、霍尔元件不等位电动势、霍尔元件不等位电动势U0的桥路补偿的桥路补偿补偿电路如图。补偿电路如图。第35页，共36页，编辑于2022年，星期四四、应用四、应用基本用途：测磁场基本用途：测磁场B。扩展用途：测位移等。扩展用途：测位移等。如图，人工建立一个梯度磁场，则通过移动传如图，人工建立一个梯度磁场，则通过移动传感器测得不同位置处的感器测得不同位置处的B，进而测得位移。，进而测得位移。第36页，共36页，编辑于2022年，星期四