工学磁电磁敏式传感器.pptx
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1、传感器原理及应用传感器原理及应用6.1 磁电感应式传感器(电动式)磁电感应式传感器(电动式)6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器6.3 磁敏元件磁敏元件 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用理解理解理解理解磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征;磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征;磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征;磁电式传感器的磁电转换原理及结构特征;了解了解了解了解霍尔式传感器的磁电转换原理;霍尔式传感器的磁电转换原理;霍尔式传感器的磁电转换原理;霍尔式传感器的磁电转换原理;理解理解理解理解霍尔效应,掌握实际使用方法。霍尔效应,掌握实际使用方法。霍尔效应,掌握实际使用
2、方法。霍尔效应,掌握实际使用方法。了解了解了解了解磁敏元件的原理及结构特征。磁敏元件的原理及结构特征。磁敏元件的原理及结构特征。磁敏元件的原理及结构特征。本章要求本章要求 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 磁电作用主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况,磁(电)敏式传感器可以分为磁电感应式传感器和霍尔式传感器两种。此外还有一些半导体磁电传感器,如磁敏电阻器,磁敏晶体管,以及以这些元器件为磁-电转换器的各种半导体磁敏功能器件。磁电磁电磁电磁电作用作用作用作用 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量电信号电信号电信号电信号测量测量测量测量电路电路电路电路U UU U、I
3、I I I 第六章 磁电、磁敏式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用磁电磁电磁电磁电作用作用作用作用 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量电信号电信号电信号电信号测量测量测量测量电路电路电路电路U UU U、I I I I 第六章 磁电、磁敏式传感器 uu磁电式传感器的定义磁电式传感器的定义磁电式传感器的定义磁电式传感器的定义 通过磁电作用,被测非电量转换为电信号的传感器。通过磁电作用,被测非电量转换为电信号的传感器。通过磁电作用,被测非电量转换为电信号的传感器。通过磁电作用,被测非电量转换为电信号的传感器。uu磁电式传感器的感测量磁电式传感器的感测量磁电式传感器的感测量磁电式传感器的
4、感测量 磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。uu磁电式传感器的种类磁电式传感器的种类磁电式传感器的种类磁电式传感器的种类 根据工作原理:根据工作原理:根据工作原理:根据工作原理:感应式、霍尔式和磁敏式等。感应式、霍尔式和磁敏式等。感应式、霍尔式和磁敏式等。感应式、霍尔式和磁敏式等。传感器原理及应用传感器原理及应用磁磁电电感感应应式式传传感感器器:利利用用电电磁磁感感应应原原理理将将被被测测量量(如如振振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。动、位移、转速等)转换成电
5、信号的一种传感器。有有源源传传感感器器:不不需需要要辅辅助助电电源源,就就能能把把被被测测对对象象的的机机械械量转换成易于测量的电信号。量转换成易于测量的电信号。特特点点:输输出出功功率率大大,性性能能稳稳定定,具具有有一一定定的的工工作作带带宽宽(101000 Hz)。)。一、磁电感应式传感器概述一、磁电感应式传感器概述 6.1 磁电感应式传感器(电动式)传感器原理及应用传感器原理及应用 磁磁电电感感应应式式传传感感器器是是以以电电磁磁感感应应原原理理为为基基础础的的。由由法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律可可知知,N N匝匝线线圈圈在在磁磁场场中中运运动动切切割割磁磁力力线线或或线线圈圈
6、所所在在磁磁场场的的磁磁通通变变化化时时,线线圈圈中中所所产产生生的的感感应应电电动动势势E E(V)(V)的大小取决于穿过线圈的磁通的大小取决于穿过线圈的磁通 的变化率,即的变化率,即磁磁通通量量的的变变化化可可以以通通过过很很多多办办法法来来实实现现,如如磁磁铁铁与与线线圈圈之之间间作作相相对对运运动动;磁磁路路中中磁磁阻阻的的变变化化;恒恒定定磁磁场场中中线线圈圈面面积积的的变变化化等等,一一般般可可将将磁磁电电感感应应式式传传感感器器分分为为恒恒磁磁通通式式和和变变磁磁通通式式两类。两类。二、磁电感应式传感器工作原理二、磁电感应式传感器工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用1 1、恒
7、磁通式、恒磁通式 6.1 磁电感应式传感器(电动式)图图 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图 恒磁通式磁电感应传感器结构中,工作气隙中的磁通恒定,恒磁通式磁电感应传感器结构中,工作气隙中的磁通恒定,感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种。割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用式中:式中:B0工作气隙磁感应强度;工作气隙磁感应强度;L每匝线圈平均长度;每匝线圈平均长度
8、;N线圈在工作气隙磁场中的匝数;线圈在工作气隙磁场中的匝数;v相对运动速度。相对运动速度。永永久久磁磁铁铁与与线线圈圈之之间间的的相相对对运运动动速速度度切切割割磁磁力力线线从从而产生感应电势。而产生感应电势。当传感器结构参数确定后,当传感器结构参数确定后,N N、B B和和l l均为恒定值,均为恒定值,E E与与v v成正比,成正比,根据感应电动势根据感应电动势E E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。传感器原理及应用传感器原理及应用 这类传感器的这类传感器的线圈和磁铁都是静止不动线圈和磁铁都是静止不动的。的。利用磁性材料制成齿轮,在运动中它不断地改利用磁性材料制
9、成齿轮,在运动中它不断地改变磁路的磁阻变磁路的磁阻,因而改变了贯穿线圈的磁通量,因而改变了贯穿线圈的磁通量,因此在线圈中感应出电动势。因此在线圈中感应出电动势。变磁通式传感器一般都做成转速传感器,产生变磁通式传感器一般都做成转速传感器,产生的的感应电势的频率作为输出感应电势的频率作为输出,其,其频率值取决于磁通频率值取决于磁通变化的频率变化的频率。2 2、变磁通式、变磁通式 在结构上分为在结构上分为开磁路开磁路和和闭磁路闭磁路两种。两种。传感器原理及应用传感器原理及应用 开磁路变磁通式开磁路变磁通式转速转速 传感器如图所示,传传感器如图所示,传 感器由永久磁铁、感感器由永久磁铁、感 应线圈、软
10、铁组成。应线圈、软铁组成。齿轮安装在被测转轴齿轮安装在被测转轴 上,与转轴一起旋转。上,与转轴一起旋转。1永久磁铁;永久磁铁;2软铁;软铁;3感应线圈;感应线圈;4齿轮。齿轮。图图 开磁路变磁阻式转速传感器开磁路变磁阻式转速传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 当齿轮旋转时,由齿轮的凹凸引起磁阻变化,而使当齿轮旋转时,由齿轮的凹凸引起磁阻变化,而使磁通发生变化,因而在线圈磁通发生变化,因而在线圈 3 中感应出交变电势,其频中感应出交变电势,其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积,即率等于齿轮的齿数和转速的乘积,即式中,式中,z 为齿轮的齿数;为齿轮的齿数;n为被测轴的转速为被测轴的转速(r/min
11、);f 为感应电势频率为感应电势频率(Hz)。当齿轮的齿数当齿轮的齿数 z 确定以后,若能测出确定以后,若能测出 f 就可求出转速就可求出转速 n(n=60f/z)。这种传感器结构简单,但输出信号小,。这种传感器结构简单,但输出信号小,转速高时信号失真也大,在振动强或转速高的场合,往转速高时信号失真也大,在振动强或转速高的场合,往往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用已知测量齿轮齿数Z=18,采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz),求:被测轴的转速n(r
12、/min)为多少?解:测量时,齿轮随工作轴一起转动,每转过一个齿,传感器磁路磁阻变化一次,磁通也变化一次,因此,线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。=80(r/min)f=nZ/60n=传感器原理及应用传感器原理及应用图为图为闭磁路变磁通式闭磁路变磁通式,它由装在转轴上的内它由装在转轴上的内 齿轮和外齿轮、永久齿轮和外齿轮、永久 磁铁和感应线圈组成,磁铁和感应线圈组成,内外齿轮齿数相同。当转内外齿轮齿数相同。当转 轴连接到被测转轴上时,轴连接到被测转轴上时,外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动,内、外齿轮的相对转动外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动,内、外齿轮的相对转动使气隙磁
13、阻产生周期性变化,从而引起磁路中磁通的变化,使使气隙磁阻产生周期性变化,从而引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然,感应电势的频率线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然,感应电势的频率与被测转速成正比。与被测转速成正比。6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器1-转轴2-内齿轮3a、3b-外齿轮4-线圈5-永久磁铁传感器原理及应用传感器原理及应用 转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度,因而它是与被测速度成一定比例的,当化速度,因而它是与被测速度成一定比例的,当转速太低时,输出电势很小,以致无法测量。所转速太低时,输出电势很小
14、,以致无法测量。所以这种传感器有一个以这种传感器有一个下限工作频率下限工作频率,一般为,一般为50Hz左右,左右,闭磁路转速传感器下限频率可低到闭磁路转速传感器下限频率可低到30Hz左左右,上限工作频率可达右,上限工作频率可达100Hz。若将输出电势信号。若将输出电势信号转化为脉冲信号,则可方便的求解出转速的大小。转化为脉冲信号,则可方便的求解出转速的大小。传感器原理及应用传感器原理及应用当当测测量量电电路路接接入入磁磁电电传传感感器器电电路路时时,Rf为为测测量量电电路路输输入入电电阻阻,R为为线线圈圈等等效效电电阻阻,则磁电传感器的输出电流和电压为则磁电传感器的输出电流和电压为 三、磁电感
15、应式传感器基本特性三、磁电感应式传感器基本特性1 1、磁电传感器的灵敏度、磁电传感器的灵敏度传传感感器器的的输输出出电电流流和和电电压压灵灵敏敏度度分分别别灵敏度为灵敏度为 灵敏度相对误差为灵敏度相对误差为 灵灵敏敏度度误误差差:工工作作温温度度变变化化、外外界界磁磁场场干扰、机械振动或冲击,灵敏度会变化。干扰、机械振动或冲击,灵敏度会变化。6.1 磁电感应式传感器(电动式)传感器原理及应用传感器原理及应用磁磁电电式式传传感感器器产产生生非非线线性性误误差差的的主主要要原因:原因:电流磁场效应。电流磁场效应。2 2、磁电传感器的非线性误差、磁电传感器的非线性误差传传感感器器线线圈圈内内流流过过
16、电电流流时时,产产生生一一定定的的交交变变磁磁通通,叠叠加加在在永永久久磁磁铁铁所所产产生生的的工工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化。作磁通上,使恒定的气隙磁通变化。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 6.1 磁电感应式传感器(电动式)传感器原理及应用传感器原理及应用这种影响分为两种情况:1、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。传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 2、当线圈的运动速度与图
17、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。传感器本身灵敏度越高,线圈中电流越大,这种非线性越严重。传感器原理及应用传感器原理及应用 为补偿上述附加磁场干扰,可在传感器中加入补偿线圈,如图所示。补偿线圈通以经放大K倍的电流,适当选择补偿线圈参数,可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消,从而达到补偿的目的。传感器原理及应用传感器原理及应用3 3、磁电传感器的温度误差、磁电传感器的温度误差当当温温度度变变化化每每摄摄氏氏度度时时,对对铜铜 线线 变变 化化
18、 量量 为为 dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2,dB/B的的变变化化量量决定于永久磁铁的磁性材料。决定于永久磁铁的磁性材料。对对 铝铝 镍镍 钴钴 永永 久久 磁磁 合合 金金,dB/B-0.0210-2,灵灵敏敏度度随随温温度度变化误差为变化误差为这这一一数数值值是是很很可可观观的的,需需要要进行温度补偿。进行温度补偿。热磁分流器补偿:热磁分流器补偿:热热磁磁分分流流器器由由具具有有很很大大负负温度系数的特殊磁性材料做成温度系数的特殊磁性材料做成。在在正正常常工工作作温温度度下下已已将将空空气气隙隙磁磁通通分分掉掉一一小小部部分分。当当温温度度升升高高时时,热热磁磁分分流
19、流器器的的磁磁导导率率显显著著下下降降,经经分分流流掉掉的的磁磁通通占占总总磁磁通通的的比比例例较较正正常常工工作作温温度度下下显显著著降降低低,从从而而保保持持空空气气隙隙的的工工作作磁磁通通不不随随温温度度变变化化,维持传感器灵敏度为常数。维持传感器灵敏度为常数。6.1 磁电感应式传感器(电动式)传感器原理及应用传感器原理及应用n 信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度信号输出经测量电路转换可获得位移和加速度 直接输出电动势,测量速度信号;直接输出电动势,测量速度信号;接入积分电路可测量位移信号;接入积分电路可测量位移信号;接入微分电路可测量加速度信号。接入微分电路可测量加速度信号。四、
20、磁电感应式传感器测量电路四、磁电感应式传感器测量电路 磁磁电电感感应应式式传传感感器器直直接接输输出出电电动动势势,且且通通常常具具有有高高的的灵灵敏敏度度,一般不需要高增益放大器。一般不需要高增益放大器。6.1 磁电感应式传感器(电动式)位移位移速度速度加速度加速度传感器原理及应用传感器原理及应用位移位移速度速度加速度加速度传感器原理及应用传感器原理及应用v 速度经积分电路速度经积分电路 可测量位移可测量位移I If f C CI Ii i R Ru ui iu u0 0-+理想运放理想运放根据根据设电容上初始电压为零,输出电压是输入电压对时间积分设电容上初始电压为零,输出电压是输入电压对时
21、间积分uitu0t测量电路测量电路-位移位移传感器原理及应用传感器原理及应用v 速度经微分电路速度经微分电路 可测量加速度可测量加速度 I If f R Rf fI Ic c C Cu ui iu u0 0-+理想运放理想运放因为因为u0tuit测量电路测量电路加速度加速度传感器原理及应用传感器原理及应用五、磁电感应式传感器的应用五、磁电感应式传感器的应用 6.1 磁电感应式传感器(电动式)1.振动测量 磁铁与线圈之间相对运动,运动速度接近振动速度,磁路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 传感器原理及应用传感器原理及应用输出不从零开始,从 Va 开始:1.V Va 必需克服
22、静摩擦力,才能相对运动;2.V Vc 惯性太大超过范围 振动传感器输出特性振动传感器输出特性传感器原理及应用传感器原理及应用 当当转转轴轴不不受受扭扭矩矩时时,两两线线圈圈输输出出信信号号相相同同,相相位位差差为为零零。当当被被测测轴轴感感受受扭扭矩矩时时,轴轴的的两两端端产产生生扭扭转转角角,因因此此两两个个传传感感器器输输出出的的两两个个感感应应电电动动势势将将因因扭扭矩矩而而有有附附加加相相位位差差 。扭扭转转角角 与与感感应应电电动动势势相相位位差差的的关关系为系为式式中中:z z为为传传感感器器定定子子、转转子子的的齿齿数。数。2.扭矩测量传感器原理及应用传感器原理及应用1、磁电式传
23、感器测量电路中引入积分电路是为了测量()。A位移 B速度C加速度 D光强2、当传感器线圈相对磁场运动所产生的附加磁场与原工作磁场方向相反时,附加磁场将 工作磁场的作用,从而使传感器的灵敏度随检测速度的增大而 。A、减弱、增大 B、减弱、降低 C、减弱、不变 D、增强、增大传感器原理及应用传感器原理及应用3、磁电式传感器是利用导体和磁场发生 而在导体两端输出感应电动势的原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。4、磁电式传感器只用于测量 ,可以直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度,加入积分或者微分电路后,可以测量位移和加速度。传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔传感器是
24、利用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(E.H.Hall)首先在金属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。优点:灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高(可达1MHz)、耐高温、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。6.2 霍尔式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度 霍尔电势
25、霍尔电势霍尔电势霍尔电势1 1、定义、定义、定义、定义霍尔:霍尔:霍尔:霍尔:18791879年年年年半导体一、霍尔效应一、霍尔效应图形符号图形符号传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用UHKH I B KH霍尔元件的灵敏度。若保持I恒定,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强,霍尔电势UH也就越高。若磁感应强度B不垂直于霍尔元件,而是与其法线成某一角度 时,实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向(与薄片垂直的方向)的分量,即Bcos,这时的霍尔电势为UH=KHIBcos 传感器原理及应用传感器原理及应用2.工作原理 霍尔效应是物质中的运动电荷受磁场中洛仑兹(
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