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1、传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一磁电感应式传感器学习单元二电感式传感器学习单元三霍尔传感器学习单元四磁敏传感器的应用模块四模块四 磁敏传感器磁敏传感器模块四模块四 磁敏传感器磁敏传感器模块导读模块导读磁敏传感器利用磁场作为媒介，可以检测很多物理量，如位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可实现非接触测量，而且不从磁场中获取能量。在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需要附加能源，因此，这类传感器获得极为广泛的应用。磁敏传感器是传感器产品的一个重要组成部分，随着我国磁敏传感器技术的发展，其产品种类和质量将会得到进一步发展和提高，汽车、民用仪表等量
2、大面广的领域已得以应用。模块四模块四 磁敏传感器磁敏传感器模块导读模块导读国产的电流传感器、高斯计等产品已经进入国际市场，与国外产品的差距正在快速缩小。磁敏传感器感知磁性物体的存在或磁性强度（在有效范围内）。这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料（铁、钴、镍及它们的合金）、感知通电（直、交）线包或导线周围的磁场。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动式传感器。它利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出。它的工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸收机械能量并转换成电信号输出。它是一种典型的机电能量变换型传感器，属于发电
3、型传感器。由于这种传感器电路简单，性能稳定，输出功率较大，输出阻抗小，一般不需要高增益放大器，用一般的放大器即可，因而大大简化了配用的二次仪表电路。它还具有一定的频率响应范围（一般为101 000 Hz），适用于振动、位移、转速、扭矩等参数的测量。这种传感器在各工程系统中获得了较普遍的应用。其缺点是传感器的尺寸和质量都较大。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器的工作原理一、一、磁电感应式传感器是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 （4-1）式中，N为线圈匝数；为线圈所包围的磁通量。根据上述原
4、理，磁电感应式传感器分为两种：一种是变磁通式，另一种是恒定磁通式。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 变磁通式传感器二、二、变磁通式（变磁阻式或变气隙式）传感器常用于旋转角速度的测量，如图4-1所示。图4-1 变磁通式传感器的结构原理图1被测转轴；2铁心；3线圈；4软铁；5永久磁铁 学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器图4-1（a）所示为开磁路变磁通式结构示意图，线圈和磁铁静止不动，铁心测量齿轮（导磁材料制成）安装在被测转轴上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次。线圈中产生的感应电动势的变化频率等于铁心上齿轮的齿数和转速的
5、乘积。这种传感器结构简单，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。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器图4-1（b）所示为两极式闭磁路变磁通式结构示意图，被测转轴带动椭圆形铁心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地变化，致使磁通同样地周期性变化，在线圈中产生频率与铁心转速成正比的感应电动势。在这种结构中，也可以用齿轮代表椭圆形铁心，软铁（极掌）制成内齿轮形式，并使两齿轮的齿数相等。当被测物体转动时，两齿轮相对运动，磁路的磁阻发生变化，因而在线圈中产生频率与转速成正比的感应电动势。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应
6、式传感器 恒定磁通式传感器 三、三、恒定磁通式传感器有两种，图 4-2（a）所示为动圈式，图4-2（b）所示为动铁式。它是由永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（金属骨架）和壳体等组成磁路系统产生恒定的磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的。图4-2 恒定磁通式传感器的结构原理图1金属骨架；2弹簧；3线圈；4永久磁铁；5壳体学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器动圈式和动铁式传感器的工作原理相同，当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，因此当振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时，运动部件的惯性很大，来不及跟踪振动体一起振动，几近静止不动，振动能量几乎全被弹簧
7、吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度。磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度v成正比的感应电动势，即 e=B0lW0v（4-2）式中，B0为工作气隙磁感应强度；W0为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；l为每匝线圈的平均长度。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 动铁式振动速度传感器的应用四、四、图4-3所示为动铁式振动速度传感器的结构图，它是一种惯性式传感器，其活动质量是一个由上下两个圆柱形弹簧支承的活动磁钢。图4-3 动铁式振动速度传感器的结构学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁钢在一内壁经镀铬研磨的不锈钢导向
8、套筒中活动，磁钢大多选用铸造铝镍钴永磁合金。磁钢两端各压入一个越磨越光的金钯合金套环，因此，当磁钢在套筒中滑动时，摩擦极小，有利于传感器敏感小的振动。磁钢套筒的两端用两个堵头焊封，使磁钢弹簧和堵头成为不可拆的整体。两个线圈绕在非导磁性金属（无磁不锈钢）骨架上，并与壳体固连。骨架内壁固定着导向套筒，套筒与线圈骨架都起电磁阻尼作用。线圈用高强度漆包线绕制，两个线圈的连接应保证其产生的电动势为相加。为提高耐温绝缘强度，线圈上浸渍一层无机绝缘材料。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器在传感器壳盖上焊有一插座，插座上引有两根合金导电丝。插座与合金导电丝均选用膨胀合金4J29，并用热膨胀
9、系数相近的玻璃粉在高温下烧结，使之相互熔封在一起，起到了良好的密封和绝缘作用。传感器壳体用磁性材料铬钢制成，它既作为导磁体，又起磁屏蔽的作用。磁力线穿过导向套筒、骨架和线圈后，经壳体构成闭合磁路。测振时，线圈与永久磁铁之间有相对运动，传感器输出正比于振动速度的电压信号。学习单元一学习单元一 磁电感应式传感器磁电感应式传感器思考与练习问题1 磁电感应式传感器的工作原理是什么?思考：问题2 恒定磁通式磁电感应式传感器的主要组成部分有哪些？分别有什么作用？思考：学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器将被测量变化转换成电感量变化的传感器称为电感式传感器。电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量
10、（如位移、压力、流量、振动等）转换为线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。电感式传感器具有以下优点；结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好；输出阻抗小，输出功率大；不受环境湿度和其他污染物的影响，适合在恶劣环境中工作。其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围互相制约，传感器自身的频率响应较低，不适宜快速动态测量控制。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器 自感式传感器一、一、自感式传感器是将被测量的变化转换为自感变化的传感器。图4-4所示为自感式传感器的原理图，它由线圈、铁心和衔铁三部分组成。图4-4 自
11、感式传感器的原理图 学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器线圈套在铁心上，在铁心和衔铁之间有一个空气隙，其厚度为。传感器的运动部分与衔铁相连。当外力作用在传感器的运动部分时，衔铁产生位移，使空气隙发生变化，磁路磁阻Rm发生变化，从而引起线圈电感变化，线圈电感的变化与空气隙的变化相对应。这样，由测出的线圈的电感量的变化就能判定空气隙的大小，即能确定衔铁的位移大小和方向。线圈的电感量为 （4-3）式中，为线圈的总磁链；I为通过线圈的电流；N为线圈的匝数；为穿过线圈的磁通。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器设磁路的总磁阻为Rm，则由磁路的欧姆定律可得磁通为 （4-4）其中，磁路的
12、总磁阻Rm是由铁心磁阻Rf和空气隙磁阻R共同组成的，所以有 （4-5）式中，为空气隙厚度，m；S为空气隙截面积，m2；li为铁心各段的长度，m；i为铁心各段的磁导率，H/m；Si为铁心各段的截面积，m2。由于一般导磁体的磁阻远远比空气隙的磁阻小，计算时可忽略不计，因此将式（4-4）和式（4-5）代入式（4-3），可得线圈的自感为 （4-6）学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器在传感器铁心的结构和材料确定之后，线圈匝数、空气的磁导率0是常数，所以自感是空气隙厚度和空气隙截面积S的函数，即f（，S）。如果保持S不变，那么L为的单值函数，可构成变气隙型自感传感器见图4-5(a)；如果保持不
13、变，使S随位移而变，可构成变截面型（又称变面积型）自感传感器见图4-5(b)。如果在线圈中放入圆柱形衔铁见图4-5(c)，也是一个可变自感，使衔铁上下位移，自感量也将相应变化，这就构成螺线管型自感传感器。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器 图4-5 自感传感器1线圈；2铁心；3衔铁 学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器 互感式传感器二、二、差动变压器式传感器是一种常用的互感式传感器，其初级、次级线圈互感随衔铁位移变化而变化。它和一般变压器的区别是：后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因
14、此又称为差动变压器。传感器工作时，当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出。被测量的变化将使磁心位移，后者引起磁链和互感变化，最终使输出电压变化。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器差动变压器也有变气隙型、变面积型与螺线管型三种类型，如图4-6所示。图4-6 各种差动变压器的结构示意图学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器图4-6（）、（）为变气隙型，灵敏度较高，但测量范围小、非线性严重，一般用于测量几微米到几百微米的位移；图4-6（）、（）为变面积型，除图示型与四极型外，还常做成八极、十六极型，一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达10；图4-6（
15、）、（）为螺线管型差动变压器。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器螺线管型差动变压器虽然灵敏度较低，但其示值范围大，可测量几微米到1 m的位移，制造装配也较方便，因而获得了广泛的应用。其结构形式虽有多种，但不外乎包括线圈组件、铁心和衔铁三部分。根据一次、二次线圈排列形式不同，有二节式、三节式、四节式和五节式等形式，如图4-7所示。螺线管型差动变压器三节式的零点残余电压较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式可以改善传感器的特性，通常采用的是二节式和三节式两类。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器图4-7 差动变压器线圈的各种排列形式线圈组件由初级线圈和骨架组
16、成。为了加强互感，线圈常绕成扁平形。骨架通常采用圆柱形，由绝缘材料制成。对骨架材料的要求是高频损耗小、抗潮湿、温度膨胀系数小。普通的可用胶木棒，要求高的则用环氧玻璃纤维或聚四氟乙烯等。如纯铁、坡莫合金、铁氧体等。铁氧体适用于高频工作的铁心，但尺寸精度受到限制，所以高精度差动变压器宜用高镍坡莫合金。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器 电涡流式传感器三、三、学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器一般来说，电涡流与激励线圈平面平行且局限于感应磁场所能涉及的区域。如图4-8所示，电涡流集中在靠近激励线圈的金属表面，其强度随透射深度的增加而按指数衰减，即所谓的“趋肤效应”。趋肤效应亦
17、称为“集肤效应”。图4-8 电涡流式传感器学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器交变电流(alternating current,AC)通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，越靠近导体表面电流密度越大。电涡流大小与导体电阻率、磁导率、厚度t，以及线圈与导体的距离x、线圈的激磁电流频率f等参数有关。一般定义电涡流衰减到表面电涡流强度的37%时为标准透射深度h，单位为厘米（cm），可表示为 （4-7）电涡流式传感器根据激励频率高低，可分为高频反射式涡流传感器和低频透射式涡流传感器两大类，前者应用较广。学习单元二学习单元二 电感式传感器电感式传感器思考与练习问题1 电感式传感
18、器的工作原理是什么?思考：问题2 电涡流式传感器产生电涡流的条件是什么？思考：学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器同其他磁敏传感器一样，都是能感应磁场，并将其转换成电信号输出的传感器，可以用来检测磁场及变化，目前应用日趋广泛。霍尔传感器是由霍尔元件、磁场和电源组成的。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器的工作原理一、一、一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，如图4-9所示。当在侧面加控制电流I时，在垂直于电流和磁场方向的另两侧上将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B的乘积成比例的电动势UH。这种现象称为霍尔效
19、应，它是由美国物理学家霍尔于1879年发现的。这个电动势称为霍尔电动势。图4-9 霍尔效应原理图学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器霍尔效应的产生是运动的载流子受磁场洛伦兹力作用的结果。半导体中的载流子（电子）在洛伦兹力的作用下向前移动的同时将向侧面偏转，于是一边形成电子积累，另一边形成正电荷积累，在半导体两侧形成电场，该电场将阻止电子的继续偏转。当电场力与洛伦兹力相等时，电子积累达到动态平衡，此时形成的电位差就是霍尔电压UH。（4-8）式中，RH为霍尔系数；I为激励电流；B为磁感应强度；d为霍尔元件厚度。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器霍尔系数RH=，其中，为载流体的电阻率，
20、为载流子的迁移率。半导体材料的电阻率较大，载流子迁移率很高，就可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔元件。一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此制作霍尔元件时多采用N型半导体材料。令KH=RH/d，则式（4-8）变为 UH=KHIB （4-9）学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器KH称为霍尔元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小。一般要求霍尔元件的灵敏度越大越好。由于金属的电子浓度很高，因此它的霍尔系数或灵敏度都很小，不适宜制作霍尔元件；元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小d的方法来增加灵敏度，所以霍尔元件一般都比较薄。但是不能认
21、为d越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。如果磁感应强度B和元件平面的法线方向成一角度，那么作用在元件上的有效磁场是其在法线方向的分量，此时 UH=KHIBcos （4-10）学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔元件的结构和基本电路二、二、根据霍尔效应，霍尔元件的材料应该具有较高的电阻率和载流子迁移率。一般金属的载流子迁移率很高，但其电阻率很小；绝缘体的电阻率极高，但其载流子迁移率极低。因此，只有半导体材料最适合制造霍尔元件。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器目前，常用的霍尔元件材料有锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）和锑化铟（InSb
22、）等。其中，N型硅具有良好的温度特性和线性度，灵敏度高，应用较多；锑化铟元件的霍尔输出电势较大，但受温度的影响也大；锗元件的输出虽然小，但它的温度性能和线性度却比较好；砷化铟与锑化铟元件相比较，前者输出电势小，受温度影响小，线性度较好。因此，采用砷化铟材料做霍尔元件受到普遍重视。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器霍尔元件结构很简单，它由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图4-10所示。图4-10 霍尔元件的外形、结构、符号和基本电路学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器霍尔片是矩形半导体单晶薄片，国产霍尔片的大小一般为4 mm2 mm0.1 mm。在元件长度方向的两个端面上焊有a、b两
23、根控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电流极（或称激励电极）；在元件另两侧端面的中间以点的形式对称地焊接c、d两根霍尔端输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体采用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器霍尔元件在电路中可用图4-10（c）所示的三种符号表示。标注时，国产元件常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品序号。例如，HZ-1元件表示用锗材料制作的霍尔元件，HT-1元件表示用锑化铟制作的霍尔元件，HS-1元件表示用砷化铟制作的霍尔元件。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器（1）霍尔系数RH（霍尔
24、常数）。在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度成反比，即UH=RHIB/，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。另RH=，即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。（2）霍尔灵敏度KH（霍尔乘积灵敏度）。霍尔灵敏度与霍尔系数成正比，而与霍尔片的厚度成反比，它通常可以表征霍尔常数。（3）霍尔额定激励电流。当霍尔元件自身温升10 时所流过的激励电流称为额定激励电流。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器（4）霍尔最大允许激励电流。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。（5）霍尔输入电阻。霍尔激励电极间的
25、电阻值称为输入电阻。（6）霍尔输出电阻。霍尔输出电极间的电阻值称为输出电阻。（7）霍尔元件的电阻温度系数。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，用表示，单位为%/。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器（8）霍尔不等位电势（霍尔偏移零点）。在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。（9）霍尔输出电压。在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。（10）霍尔电压输出比率。霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔集成电路三、三、随着集成技术的发
26、展，用集成电路工艺把硅霍尔元件和相关的信号处理部件集成在一个硅单片上制成的单片集成霍尔元件，称作硅集成霍尔元件，也称硅集成霍尔器件或霍尔集成电路。按照输出信号的形式，它可分为开关型和线性型霍尔集成电路两种。（1）开关型霍尔集成电路。开关型霍尔集成电路是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器这种集成电路一般由霍尔元件、稳压电路、差分放大器、施密特触发器及OC门（集电极开路输出门）电路等组成，其电路框图如图4-11所示。图4-11 开关型霍尔集成电路 学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器其外形如图4-12所示。图4-12 霍尔集
27、成电路外形 该传感器的输出开关信号可直接用于驱动继电器、三端双向可控硅、LED等负载。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器（2）线性型霍尔集成电路。线性型霍尔集成电路通常由霍尔元件、差分放大电路、射极跟随输出及稳压电路四部分组成。有的还把稳压和恒流电路也集成在一起。电路对霍尔元件的输出进行线性放大，磁灵敏度可达102V/T数量级，两端输出时，磁灵敏度可达104V/T，比单独的霍尔元件高两个数量级。但由于磁感应强度较高时，输出电压逐渐出现饱和，失去线性，一般用于0.1T以下的磁场范围。如果附加调节灵敏度的电路，那么可拓宽线性范围。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器的应用
28、四、四、霍尔传感器是以霍尔元件为核心构成的一种磁敏传感器，它是基于霍尔效应而工作的，所以一切非电量只要能通过前置敏感元件（如弹性元件）变换成位移量，即可利用霍尔传感器进行测量，加之霍尔元件结构简单、工艺成熟、体积小、工作可靠、寿命长、线性好、频带宽，因而得到广泛应用，如用于测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等，可用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器速度测量速度测量1.霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个三端器件，其外形与三极管相似，只要
29、接上电源、地即可工作。通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器图4-13(a)所示为CS3020的外形，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是VCC、地和输出。图4-13 霍尔传感器测速电路学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近传感器，如果没
30、有信号输出，就换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计量输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在1个脉冲的误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器图4-13(b)所示为测速电路的信号获取部分，在电源输入端并联电容C2来
31、滤去电源尖啸，使霍尔元件稳定工作。HG表示霍尔元件，采用CS3020，在霍尔元件输出端（引脚3）与地并联电容C3滤去波形尖峰，再接一个上拉电阻R1，然后将其接入LM324的引脚3。用LM324构成一个电压比较器，将霍尔元件输出电压与电位器RP1比较得出高低电平信号给单片机读取。C4用于波形整形，以保证获得良好数字信号。LED便于观察，当电压比较器输出高电平时不亮，低电平时亮。微型电机M可采用直流型，通过电位器RP1分压，实现提高或降低电机转速的目的。电容C1使电机的速度不会产生突变，因为电容能存储电荷。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器电压比较器的功能是比较两个电压的大小(用输出电压的
32、高或低电平表示两个输入电压的大小关系)。当“”输入端电压高于“-”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“”输入端电压低于“”输入端时，电压比较器输出为低电平。电压比较器还有整形的作用，利用这一特点可使单片机获得良好稳定的输出信号，不至于丢失信号，能提高测速的精确性和稳定性。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器电流测量电流测量2.如图4-14所示，钳形电流表采用分割式铁心和霍尔元件组合，当被测电流I通过传感器时，霍尔元件感应输出一个霍尔电压VH，霍尔电压VH正比于被测电流I，可以通过检测霍尔电压VH来计算被测电流I，而通过铁心的导线就成为电流互感器的一次线圈，而线路中的电流便在二次线圈中感
33、应出电流，从而测试出线路电流。学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器图4-14 钳形电流表学习单元三学习单元三 霍尔传感器霍尔传感器思考与练习问题1 霍尔效应是什么?思考：问题2 钳形电流表的主要工作原理是什么？思考：学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用在磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器的生产量是最大的。它主要用于无刷直流电机（霍尔电机）中，这种电机用于磁带录音机、录像机、XY记录仪、打印机、电唱机及仪器中的通风风扇等。另外，霍尔元件及霍尔传感器还用于测转速、流量、流速及利用它制成高斯计、电流计、功率计等仪器。磁敏传感器主要用于测量位移与尺寸，也可测量能转换成位移变化的
34、其他参数，如张力、压力、压差、振动、应变、转矩、流量、密度等，本学习单元主要介绍它们的应用。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用 霍尔传感器测转速一、一、在直流电机的多年实际运行的过程中，机械测速电机不足之处日益明显，其主要表现为直流测速电机DG中的炭刷磨损及交流测速发电机TG中的轴承磨损，这增加了设备的维护工作量，也随着增加了发生故障的可能性；同时，机械测速电机在更换炭刷及轴承的检修作业过程中需要将直流电动机停运，安装过程中需要调整机械测速电机轴与主电机轴的同轴度，延长了检修时间，影响了设备的长期平稳运行。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用随着电力电子技
35、术的不断发展，一些新颖器件不断涌现，原有器件的性能也随之逐渐改进，采用电力电子器件构成的各种电力电子电路的应用范围与日俱增。因此，采用电子脉冲测速取代原直流电动机械测速电机已具备理论基础，如可采用磁阻式、霍尔效应式、光电式等方式检测电机转速。霍尔传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用于高速计数、测频率、测转速等领域。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用霍尔器件可将电机的转速转化为脉冲信号。霍尔测速模块由铁质的测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮如图4-15所示，齿轮厚度约为2mm，将其固定在待测电机的转轴上。图4-15 测速齿轮学习单元四学
36、习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用将霍尔元件（见图4-16）固定在距齿轮外圆1 mm的探头上，霍尔元件的对面粘贴小磁钢，当测速齿轮的每个齿经过探头正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。图4-16 霍尔元件学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：式中，n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号的周期。根据式(4-11)即可计算出直流电机的转速
37、。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。n=(4-11)学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用 电磁流量计二、二、电磁流量计(EMF)是利用法拉第电磁感应定律制成的一种丈量导电液体体积流量的仪表。20世纪50年代初电磁流量计实现了产业化应用，70年代后期出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替换早期应用的工频交流激磁方式，仪表机能有了很大进步，得到更为广泛的应用。目前，大口径电磁流量计较多应用于给排水工程，中小口径常用于固液双相等难测流体或高要求场所。如丈量造纸产业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学产业的强侵蚀液及钢铁产业高炉风口冷却水控制和监漏，长间隔管道煤
38、的水力输送的流量丈量和控制。小口径、微小口径电磁流量计则常用于医药产业、食品产业、生物工程等有较高卫生要求的场所。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用电磁流量计所依据的基本原理是法拉第电磁感应定律，当导体做切割磁力线运动时，导体内将产生感应电动势。该原理用于测量管内流动的导电流体，并且流体流向与磁场方向相垂直（见图4-17）。图4-17 电磁流量计示意图学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用流体中产生的感应电动势被位于管子径向两端的一对电极拾取，该信号电压UR与磁场强度B、电极间距离d和平均流速v成正比。在信号转换器中，该感应信号电压被转换成可编程的模拟和数字
39、输出信号。电磁流量计外形如图4-18所示。图4-18 电磁流量计学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用如图4-19所示，电磁流量计需要接地，这不仅是基于安全目的，同时对于流量计的无故障运行也是必不可少的。图4-19 电磁流量计接地示意图 学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用传感器的接地螺钉应连接到地电位，出于技术的原因，如有可能，此点电位应与被测流体电位相同。对于塑料或绝缘管线，流体的接地是通过安装接地环来实现的。如果管道中存在杂散电势，那么需要在传感器的两端均安装接地环。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用电磁流量计的丈量通道是一段无阻流检
40、测件的光滑直管，因不易梗阻而适用于丈量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。电磁流量计不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是统一长度管道的沿程阻力，节能效果明显，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。电磁流量计所测得的体积流量，实际上不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化显著的影响，与其他大流量仪表相比，前置直管段要求较低。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用电磁流量计的丈量范围大，通常为201501，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.510 m/s内选定。电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，从
41、几毫米到3 m。电磁流量计可测正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率远低于激磁频率。仪表输出本质上是线性的。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用 电感式传感器测位移三、三、图4-20所示为一种电感测厚仪，它的工作原理是：工作前先调节测微螺杆到给定厚度值，该厚度值可由度盘读出。图4-20 电感测厚仪工作原理图1、3上下测量滚轮；2被测带材；4测微螺杆；5度盘；6衔铁；7杠杆 学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用被测带材在上下测量滚轮之间通过，当带材偏离给定厚度时，上测量滚轮将带动测微螺杆上下移动，通过杠杆使铁心上下移动，从而改变线圈电感L1和L2，电感的变化则由相应的电桥电路测出，这样就可得到带材厚度的偏差值。学习单元四学习单元四 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用思考与练习问题1 磁敏传感器有哪些种类？其主要应用是什么？思考：问题2 电磁流量计的主要应用是什么？实际使用时需要注意什么？思考：Thank you!Thank you!