磁电式传感器.ppt

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1、第七章磁电式传感器第一节磁电感应式传感器磁电感应式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。特点:（1)工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出，这是一种典型的发电型传感器。（2)传感器输出功率大，简化了配用的二次仪表电路。（3)它的性能稳定，还可以针对使用对象做成不同的结构形式。磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。本章主要介绍磁电感应式传感器和霍尔传感器。一、工作原理:根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e正比于匝链线圈的磁通的变化率，即Φ—匝链线圈的磁通；W—线圈匝数。★

2、若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势e为B—磁场的磁感应强度；x—线圈与磁场相对运动的位移；v—线圈与磁场相对运动的速度；θ—线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；W—线圈的有效匝数；l—每匝线圈的平均长度。当θ=90o（线圈垂直切割磁力线）时，有：★若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，感应电势为式中，—旋转运动的相对角速度（）；S—每匝线圈的截面积；θ—线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。●当θ=90o时，可写成:由上可见：当传感器的结构确定后，B、S、W、均为定值，因此，感应电势e与相对速度（或）成正比。根据上述基本原理，磁电式传感器可分

3、为两种基本类型：变磁通式；恒定磁通式。1．变磁通式永久磁铁与线圈均不动，感应电势是由变化的磁通产生的。如图7-1所示的转速传感器。●结构特点：永久磁铁、线圈和外壳均固定不动，齿轮安装在被测旋转体轴上。当齿轮转动时，齿轮与软铁磁轭之间的气隙距离随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。2．恒定磁通式工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电势是由于工作气隙中的线圈相对永久磁铁运动，并切割磁力线产生的，输出感应电势与相对速度成正比。（1）磁电式振动传感器（a)工作原理磁电式振动传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，如图7-2所示。它是一种典型的

4、二阶传感器，可以用一个由集中质量m、集中弹簧K和集中阻尼器C组成的二阶系统来表示，如图7-3所示。(b)典型结构磁电式振动传感器的结构有多种：按活动部件是磁铁还是线圈又可分为动钢型和动圈型磁电式传感器。动钢型磁电式传感器动圈型磁电式传感器第二节霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。霍尔式传感器特点:★优点:结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。★缺点：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进

5、行温度补偿。一、霍尔效应图7-11所示，一块长为、宽为w、厚为d的N型半导体簿片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于-w平面。沿通电流I，N型半导体中载流子一电子将受到B产生的洛伦兹力FB的作用。霍尔元件的结构及工作原理半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度B为零时的情况cdab磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KHIB霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内

6、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。cdab在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。洛伦兹力FB为—半导体电子运动的速度；—电子的电荷量。霍尔电场产生的电场力FH为电流密度，n是单位体积中的载流子数。则流经载流体的电流将电子速度代入式（7-20），则霍尔电势为RH—霍尔系数。系数反映霍尔效应的强弱。KH—霍尔器件的灵敏度。它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。由此可见：霍尔器件的灵敏

7、度，不仅与霍尔器件的材料有关，还与尺寸有关。当外界磁场强度B和激励电流I中的一个量为常数而另一个为输入量时，则输出霍尔电势正比于B或I。当B和I均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于B和I的乘积。如果磁场方向与半导体簿片法线方向不垂直，其角度为，则霍尔电势为★霍尔电场阻止电子继续偏转，当电场力FH与磁场力FB相同时，电子积累就达到动态平衡。此时，两侧面建立的电场称为霍尔电场。当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有霍尔电势的大小决定于载流体中电子的运动速度，通常称为载流子迁移率。它是指在单位电场强度作用下，载流子的平均