传感器原理及应用第六章-磁电式传感器课件.ppt
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- 传感器 原理 应用 第六 磁电 课件
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1、第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。磁电式传感器有磁电感应式传感器、霍尔式传感器、磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏晶体管等。6.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器6.2霍尔式传感器霍尔式传感器6.3磁敏电阻磁敏电阻6.4磁敏二极管和磁敏晶体管磁敏二极管和磁敏晶体管一、一、磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器是一种机磁电感应式传感器是一种机电能量转换型传感器,适用电能量转换型传感器,适用于振动、转速、扭矩等测量。特别是由于这种传感器的于振动、转速、扭矩等测量。特别是由于这种传感器的“双向双向”性质,使得它可以作为性质,使得它
2、可以作为“逆变器逆变器”应用于近年来发展起来的应用于近年来发展起来的“反馈式反馈式”(也称为平衡式)传感器中,只是这种传感器的尺(也称为平衡式)传感器中,只是这种传感器的尺寸和重量都比较大。寸和重量都比较大。(一)磁电感应式传感器的工作原理(一)磁电感应式传感器的工作原理电磁式传感器工作原理当一个当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时,设穿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过线圈的磁通为,则整个线圈中所产生的感应电动势,则整个线圈中所产生的感应电动势e为为dtdWe(二)磁电感应式传感器的结构及特点(二)磁电感应式传感器的结构及特点1、磁电感应式传感器的结构
3、、磁电感应式传感器的结构磁电式传感器基本上由以下三部分组成:磁路系统:它产生一个恒定的直流磁场,为了减小传感器体积,一般都采用永久磁铁;线圈:它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势;运动机构:它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。(1)恒磁通式恒磁通式图为恒定磁通磁电感应式传感器典型结构图,它由永久磁铁(磁钢)、线圈、弹簧、金属框架和外壳等组成。在动铁式结构中,线圈不动,磁铁运动,线圈组件与壳体固定,永久磁铁用柔软弹簧支撑。在动圈式结构中,磁铁不动,线圈运动,永久磁铁与传感器壳体固定,线圈和金属框架(合称线圈组件)用柔软弹簧支撑。两者工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软
4、,运动部件质量相对较大。当振动频率足够高(远大于传感器固有频率)时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动,振动能量几乎全被弹簧吸收,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,磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势为 vlWBe00(2)变磁通式变磁通式 变磁通式磁电传感器又称为变磁阻式或变气隙式,常用来测量旋转体的角速度。图为两种变磁通式结构图。图中线圈和永久磁铁(俗称磁钢)均固定不动,与被测物体连接而运动的部分是利用导磁材料制成的动铁心(衔铁),它的运动使气隙和磁路磁阻变化引起磁通变化,而在线圈中产生感应电动势。为衔铁上下振动结构,与变气隙式电感传感器
5、相似,但线圈是绕在永久磁铁上。通过适当的设计可使感应电动势与衔铁相对于磁钢的振动速度成线性关系,从而可以用于振动速度的测量。为衔铁旋转结构,设椭圆形动铁心以恒定的角速度旋转,线圈截面积为A,磁路中最大与最小磁通密度之差为B=Bmax-Bmin NS 3 15(a)+-变磁通恒磁通21245NS3e (b)e 2、磁电感应式传感器基本特性、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中,磁电传感器的输出电流Io为传感器ERRfIoffoRRvlWBRREI00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foIRRlWBvIS0
6、0foIRRlWBvIS00fffooRRvRlWBRIU00ffURRRlWBvUS000 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为RdRldlBdBsdsII (1)非线性误差)非线性误差NSv+EI 当线圈的运动速度与图所示方向相反时,感生电势E、线圈感应电流反向,所产生的附加磁场方向与工作磁场同向,从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值,使传感器输出基波能量降低,谐波能量增加。即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然,传感器灵敏度越高,线圈中电流越大,这种非线
7、性越严重。磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:由于传感器线圈内有电流I流过时,将产生一定的交变磁通I,此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化如图所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时,将产生较大的感生电势E和较大的电流I,由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反,减弱了工作磁场的作用,从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。(2)温度误差)温度误差 当温度变化时,式 中右边三项都不为零,对 铜 线 而 言 每 摄 氏 度 变 化 量 为 d L/L 0.1 6 7 1 0-4,dR/R0.4310-2,dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁
8、铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金,dB/B-0.0210-2,这样由式(7-7)可得近似值:t(-4.5%)/10 (7-8)这一数值是很可观的,所以需要进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时,热磁分流器的磁导率显著下降,经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低,从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化,维持传感器灵敏度为常数。RdRldlBdBsdsII (三)磁电感应式传感器的转换电路三)磁电感应式传感器的转换电路 磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏
9、度,所以一般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。图为一般测量电路方框图 磁电式传感器量程选择 前置放大微分电路积分电路主放大器显示或记录321WS321 (四)磁电感应式传感器的应用四)磁电感应式传感器的应用 1.转速测量转速测量 nZf式中:Z磁轮的齿数;n一磁轮的转数。转速测量 2.磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器 磁电扭矩传感器的结构见图所示。传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时,圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化,于是磁通量也发生变化,在线圈中感应出交流电压
10、,其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。1线圈;2永久磁铁;3铁芯;4齿轮 测量扭矩时,在转轴上固定两个齿轮,它们的材质、尺寸、齿形和齿数均相同。永久磁铁和线圈组成的磁电式传感器对着齿顶安装。如图所示。当转轴不受扭矩时,两线圈输出信号相同,相位差为零。转轴承受扭矩后,相位差不为零,且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加而加大。测量仪表123tuu1u2 霍尔传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导
11、体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。(一)霍尔传感器的工作原理(一)霍尔传感器的工作原理 霍尔传感器的工作原理是基于霍尔元件的霍尔效应霍尔效应,霍尔效应是物质在磁场中表现的一种特性,它是由于运动电荷在磁场中受到洛伦兹(Lorentz)力作用产生的结果。二、霍尔式传感器二、霍尔式传感器 当把一块金属或半导体薄片垂直放在磁感应强度为B的磁场中,沿着垂直于磁场方向通过电流Ic,就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH,如图所示。这种现象称为霍尔效应,所产生的电动势称为霍尔电动势,这种薄片(一般为半导体)称为霍尔片或霍尔元
12、件。霍尔传感器 当电流Ic通过霍尔元件时,假设载流子为带负电的电子,则电子沿电流相反方向运动,令其平均速度为v。在磁场中运动的电子将受到洛伦兹力fL作用,其大小为 evBfL 运动电子在洛伦兹力fL的作用下,便以抛物线形式偏转至霍尔元件的一侧,并使该侧形成电子的积累。同时,使其相对一侧形成正电荷的积累,于是建立起一个霍尔电场EH。该电场对随后的电子施加一电场力fE,其大小为 beUeEfHHE/式中:b霍尔元件的宽度;UH霍尔电势。当运动电子在霍尔片中所受的洛伦兹力fL和电场力fE相等时,则电子的积累便达到动态平衡,从而在其两侧形成稳定的电势,即霍尔电势UH,并可利用仪表进行测量。达到动态平衡
13、时,fL=fE,则 beUevBH/又因为电流密度J=-nev(n为载流子浓度),则电流 nevbdI所以 IBKdIBRnedIBUHHHneRH1霍尔系数;neddRKHH1霍尔元件的灵敏度。霍尔电压与载流体中载流子(电子或空穴)的运动速度有关,亦即与载流体中载流子的迁移率有关。由于=v/E E为电流方向上的电场强度),材料的电阻率=1/ne,所以霍尔系数与载流体材料的电阻率和载流子迁移率的关系为 HR 因此,只有因此,只有、都大的材料才适合于制造霍尔元都大的材料才适合于制造霍尔元件,才能获得较大的霍尔系数和霍尔电压。金属导体件,才能获得较大的霍尔系数和霍尔电压。金属导体的载流子迁移率很大
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