第五章 磁电式传感器ppt课件.ppt

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1、第五章磁电式传感器定义：磁电式传感器是利用磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。磁电作用：所有的磁信号与电信号之间相互作用的现象。第一节磁电感应式传感器一、磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；l——导体有效长度；v—导体相对磁场的运动速度N——线圈匝数；当一个N匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。（一）恒定磁通式（二）变磁

2、通式变磁通式磁电传感器结构图（a）开磁路（b）闭磁路图（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。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的场合。图（b）为闭磁路变磁通式传感器，被测旋转体1带动椭圆形测量齿轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路的磁阻也周期性的变化，磁通同样周期性的变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮2的转速n成正比，即

3、f=n/30。二、磁电感应式传感器的应用动圈式振动速度传感器1、芯轴2、外壳3、弹簧片4、铝支架5、永久磁铁6、线圈7、阻尼环8、引线上图是动圈式振动速度传感器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量

4、的是振动速度参数，若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。第二节霍尔式传感器一、工作原理霍尔效应：金属或半导体处于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q—电子电量(1.62×10-19C)；v—电于运动速度。同时，作用于电子的电场力当达到动态平衡时11霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：电流密度j=－nqvn—N型半导体中的电子浓度N型半导体P

5、型半导体RH—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率p—P型半导体中的孔穴浓度μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。12设KH=RH/dKH—霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：UH＝KHIBUH＝KHIBcosθ13讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件。霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属

6、材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。N型材料电阻率P型材料电阻率二、霍尔元件1、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。控制电流I；霍耳电势UH；控制电压E；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。图中

7、控制电流I由电源E供给,RW为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。R3RW16三、霍尔元件的误差及其补偿1、零位误差及补偿方法零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时出现的