第6章磁电式传感器课件.ppt

1、8.1 8.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器8.2 8.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 8.3 8.3 磁敏传感器磁敏传感器 u磁电式传感器利用磁电式传感器利用电磁感应效应电磁感应效应，霍尔效应霍尔效应，或或磁阻效应磁阻效应等电磁现象，把被测物理量的变化等电磁现象，把被测物理量的变化转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等参数测量。参数测量。u按电磁转换机理的不同，磁电式传感器可分为按电磁转换机理的不同，磁电式传感器可分为磁电感应式传感器磁电感应式传感器，霍尔式传感器霍尔式传感器，和，和磁阻效磁阻效应传感器应传感器等。等。u广泛用于建筑，工业等领域中振

2、动，速度，加广泛用于建筑，工业等领域中振动，速度，加速度，转速，转角，磁场参数等的测量。速度，转速，转角，磁场参数等的测量。deNdt eBlN 磁电式传感器机械能机械能电电量量电压灵敏度：电压灵敏度：0US由由 可得；可得；传感器灵敏度：传感器灵敏度：(常数常数)eNBlvsv esvSNBl 0IISv电流灵敏度电流灵敏度:根据以上原理有两种磁电感应式传感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：恒磁通式：磁路系统恒定磁场磁路系统恒定磁场,运动部件运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：变磁通式：线圈、磁铁静止不动，线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、

3、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。恒磁通式恒磁通式 恒磁通电磁式传感器通常用来做恒磁通电磁式传感器通常用来做机械振动测量机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：振动传感器结构大体分两种：动钢型（线圈与壳体固定）动钢型（线圈与壳体固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势度的感应电动势 。eBlN ev动钢型动钢型动圈型动圈型适用于振动、转速、扭矩等测量。适用于振动、转速、扭矩等测量。

4、线圈线圈3和磁铁和磁铁5静止不动，测量齿轮静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。上齿轮的齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达

5、，上限可达100Hz。n 信号输出送测量电路信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。霍尔传感器也是一种磁电式传感器。霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势

6、变化范围可达微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:11000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流薄片）两端通以控制电流I I，在薄片垂直方向施加磁感，在薄片垂直方向施加磁感强度强度B B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积成比例的电动势的乘积成比例的电动势U UH H 。这种现象称。这种现象称霍尔效应霍尔效应。霍尔电势可用下式表示霍尔电势

7、可用下式表示:式中式中RH霍尔常数（霍尔常数（m3C-1）I控制电流（控制电流（A）B磁感应强度（磁感应强度（T）d霍尔元件的厚度（霍尔元件的厚度（m）令令KH=RH/d（VA-1Wb-1m2）霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检

8、测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来等，转变成电量来进行检测和控制。进行检测和控制。u维持维持I、kH 不变不变，则传感器的输出，则传感器的输出EH=f（B），这），这方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基尔转速表、磁性产品计数器

9、、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等;u维持维持I、B不变不变，则传感器的输出，则传感器的输出EH=f（kH），），这方面的应用有角位移测量仪等。这方面的应用有角位移测量仪等。u维持维持kH不变不变，则，则EH=f（IB），即传感器的输出），即传感器的输出EH与与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。霍尔式功率计等。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件符号霍尔元件符号 (1)(1)位移测量位

10、移测量(2)(2)测转速测转速(3)(3)计数装置计数装置(导磁产品导磁产品)检缺口检缺口 检齿检齿霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 测转角：测转角：电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。测。铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测NS案例：汽车速度测量案例：汽车速度测量:磁阻效应：磁阻效应：式中式中 B

11、 B 磁感应强度为磁感应强度为B B时的电阻率；时的电阻率；0 0 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率；电子迁移率；电子迁移率；B B 磁感应强度。磁感应强度。当电阻率变化为当电阻率变化为B B-0 0时，则电阻率的时，则电阻率的相对变化为：相对变化为：/0 0=0.273=0.2732 2B B2 2=KK2 2B B2 2。由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如InSbInSb、InAsInAs和和NiSbNiSb等半导体材料），其磁阻效等半导体材料），其磁阻效应越明显。应越明显。220(10.273)BB磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是磁阻

12、元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应或称高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化向的电阻变化 上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R R1 1、R R2 2发发生变化，如果将它们接

13、于电桥，则其输出电压比例于电阻的生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。愈大。磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。量。n 磁敏元件也是基于磁电转换原理磁敏元件也是基于磁电转换原理,60,60年代西门年代西门子公司研制了第一个磁敏元件子公司研制了第一个磁敏元件,68,68年索尼公司研年索尼公司研制成磁敏二极管制成磁

14、敏二极管,目前磁敏元件应用广泛。目前磁敏元件应用广泛。磁敏元件磁敏传感器主要有：磁敏传感器主要有：u磁敏电阻磁敏电阻u磁敏二极管磁敏二极管u磁敏三极管磁敏三极管u霍尔式磁敏传感器霍尔式磁敏传感器 由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大磁阻效应被大大减弱大减弱,但仍然存在。磁阻元件的电阻与形状有关：但仍然存在。磁阻元件的电阻与形状有关：长方形样品长方形样品扁条状长形扁条状长形圆盘样品圆盘样品v 磁敏电阻磁敏电阻与与霍尔元件霍尔元件属同一类属同一类,都是磁电转换都是磁电转换元件元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只只有与辅助材料有与辅助材料(磁铁磁铁)并用才具有识别磁极的能力并用才具有识别磁极的能力.磁敏电阻的输出特性磁敏电阻的输出特性案例：转速测量案例：转速测量本章要点：本章要点：