《第五章磁电-梁》.ppt

* 第五章 磁电式传感器 5.1 磁电感应式传感器 5.2 霍尔式传感器 5.1 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。 由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000 Hz），所以得到普遍应用。 5.1.1 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 (5-1) 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。 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：恒磁通式和变磁通式。变磁通式又称为磁阻式， 图5-1是恒磁通式磁电传感器结构图。图5-2 变磁通式磁电传感器结构图 (5-2) 图5-1 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式 (5-3) 式中：B0——工作气隙磁感应强度； l——每匝线圈平均长度； W——线圈在工作气隙磁场中的匝数； v——相对运动速度。 图5-2 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路 5.1.2 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时，如图7-3所示，磁电传感器的输出电流Io为 （5-4) 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 （5-5) 而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 (5-6) (5-7) 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为 (5-8) 5.1.3 磁电感应式传感器的测量电路 图7-5 磁电式传感器测量电路方框图 5.1.4 磁电感应式传感器的应用 1. 动圈式振动速度传感器 图7-6 动圈式振动速度传感器 图7-7 磁电式扭矩传感器工作原理图 2. 磁电式扭矩传感器 5.2.1 霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。 + I + + + － － － － Ｂ l w d UH v fL 原因： 运动电荷受磁场洛仑兹力的作用。 洛仑兹力： fE 霍尔电场对载流子的作用力： I 称为控制电流 5.2 霍耳式传感器 + I + + + － － － － Ｂ l w d UH v fL 洛仑兹力： fE 霍尔电场的作用力： 洛仑兹力与电场力相等时，电荷的积累达到动态平衡。 有： 又： n---单位体积内载流子数 所以： 其中： 为霍耳系数，由材料物理性质决定，反映霍尔效应的强弱。 金属材料，电子浓度n很高，不适于作霍尔器件。霍耳器件全部采用半导体材料制成。 令： 则： KH 霍尔尔器件的灵敏度，除与材料特性有关外，与器件的厚度成反比，减小厚度可以提高灵敏敏度。 但厚度太小会增大器件的输入输出电阻。 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＝ KH I B cosθ 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的 方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不 改变方向。 5.2.2 霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图7-10（a）所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1′两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）； 2、 2′引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。 在电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示， 如图7-10（b）所示。 图7-10 霍尔元件 （a） 外形结构示意图； （b） 图形符号 5.2.3. 霍尔元件基本特性 (1) 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激