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1、2023/1/20,1,第5章 磁电式传感器,麦克斯韦电磁场理论 变化的磁场在周围空间产生电场，当闭合回路导体处在此电场中时，导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生感应电流；如果不是闭合回路，则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生感应电动势。,被测量 电信号,分类：磁电感应式、霍尔式,2023/1/20,2,一 磁电感应式传感器1、工作原理,法拉第电磁感应定律：,为磁通量B为磁感应强度l为导体长度v相对运动速度,2023/1/20,3,其中：1-永久磁铁 2-软磁铁 3-感应线圈 4-测量齿轮 5-内齿轮 6-外齿轮 7-转轴,(1)变磁通式,a开磁通式 b闭磁通式
2、,磁电感应式传感器分类：变磁通式和恒磁通式,2023/1/20,4,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，随之一起转动。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。,2023/1/20,5,闭磁路变磁通式：它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转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、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化
3、，使线圈内产生周期性变化的感生电动势。,显然，感应电势的频率与被测转速成正比。采用测频的方法可以得到被测物体的转动速度。,开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。,2023/1/20,7,(2)恒定磁通式,工作气隙中的磁通恒定,动圈式,动铁式,2023/1/20,8,感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比,B气隙磁感应强度(Wb/m2)l 线圈导线总长度(m)S线圈所包围的面积(m2)v线圈和磁铁间相对运动的速度(m/s)线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s)运动方向与磁感应强度方向
4、的夹角,式中：,磁铁和线圈的相对运动产生切割磁力线从而产生感应电势,2023/1/20,9,磁电式传感器：利用，测量量变化 感应电压e 有源传感器,电磁式传感器：利用衔铁运动，Rm变化L 变化 U 变化 无源传感器,注意与电磁式传感器区别,2023/1/20,10,2、基本特性,当测量电路接入磁电传感器电路中,传感器的输出电流Io为 式中:Rf 测量电路输入电阻 l每匝线圈平均长度 R线圈等效电阻 N线圈匝数,传感器的电流灵敏度为,运动速度,2023/1/20,11,而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为：,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
5、测量误差。相对误差为：,2023/1/20,12,(1)非线性误差,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,2023/1/20,13,当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。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。,其结果是线圈运动方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值,2023/1/20,14,为补偿上
6、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。,补偿线圈,2023/1/20,15,对铜线而言，当温度变化时每摄氏度变化量为：dL/L0.16710-4 dR/R0.4310-2 温度变化时对铝镍钴永久磁合金 dB/B-0.0210-2这样可得近似值：t(-4.5%)/10 这一数值是很可观的,所以需要进行热磁分流器温度补偿。,(2)温度误差,2023/1/20,16,热磁分流器 由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。温度正常时将空气气隙磁通分路掉一小部分
7、；而当温度过高时，它的磁导率显著下降，分流掉的磁通显著降低，从而保持空气气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。,2023/1/20,17,磁电式传感器是速度传感器，通常具有较高的灵敏度，不需要增益放大器。积分：将速度转换成位移，svdt微分：速度转换成加速度，adv/dt,3、测量电路,2023/1/20,18,(1)磁电式相对速度计,1-顶杆 2,5-弹簧片3-磁铁 4-线圈6-引出线 7-外壳,4、应用,测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比。相对式速度计可测量的最低频率接近于零。,
8、2023/1/20,19,(2)磁电式扭矩传感器,2023/1/20,20,在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电传感器。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，其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。,2023/1/20,21,二 霍尔式传感器,1879年美国物理学家霍尔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
9、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。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。,霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。,霍尔式传感器,一、霍尔传感器工作原理,霍尔器件是一种磁电传感器，其工作机理是霍尔效应。,图2.1 霍尔效应原理图,如图2.1所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。,霍尔
10、式传感器,导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，f1的大小为,fl=eBv,式中：e电子电荷；v电子运动平均速度；B磁场的磁感应强度。,霍尔式传感器,fl的方向如图2.1，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场。该电场强度为,式中,UH为电位差,b为两点间沿电场线方向的距离。,霍尔式传感器,霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增
11、加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦兹力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反，即,eEH=eBv,EH=vB,此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。,霍尔式传感器,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势,c,d,a,b,若薄片为N型半导体，导电板单位体积内载流子（电子）数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=n(-e)vbd，即,代入上两式得,霍尔式传感器,式中令RH=-1/ne，称之为霍尔常数（反映霍尔效应强弱），其大小取决于导体载流子密度,则,式中,KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度
12、。,上述推导是针对N型半导体，对于P型半导体，则,式中：,霍尔式传感器,对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔系数RH,霍尔元件激励极间电阻R=L/(bd),同时R=UI/I=EIL/I=L/(nebd),其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场强度，载流子的迁移率，即单位电场作用下载流子的运动速度，=v/E。则,可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。,霍尔式传感器,由电阻率1/ne或1/pe，得RH=,从RH表达式可知，霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要
13、霍尔效应强，即霍尔电势大，则RH值大，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。,霍尔式传感器,一般金属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。故只有半导体材料适于制造霍尔片。半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。,霍尔式传感器,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，如图二.2(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
14、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，如图二.2(b)所示。,二、霍尔元件的结构和基本电路,霍尔式传感器,图二.2 霍尔元件,（a）外形结构示意图,霍尔元件的基本测量电路如图所示，激励电流由电压源供给，其大小可由可变电阻调节。,霍尔式传感器,控制电流端并联输出电势为：2倍,控制电流端串联次级绕阻叠加输出,直流供电方式：,交流供电方式：,霍尔式传感器,(1)额定激励电流和最大允许激励电流 额定激励电流：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。最大允许控制电流：以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流值。
15、,三、霍尔元件的主要特性参数,霍尔式传感器,(2）输入电阻和输出电阻 输入电阻：激励电极间的电阻值称为输入电阻。输出电阻：输出霍尔电势电极间的电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。,霍尔式传感器,(3）不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。如图二.3所示。,霍尔式传感器,图二.3 不等位电势示意图,不等位电势也可用不等位电阻表示，即,由式可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。,霍尔式传感器,产生这一现象的原因有：霍尔电极安
16、装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,(4）寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。,寄生直流电势产生的原因有：激励电极、霍尔电极与霍尔元件接触不良，造成整流效果；两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。,霍尔式传感器,(5）霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。,对于霍尔元件中存在的误差必
17、须进行补偿。,霍尔式传感器,不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。（1）工艺上保证电极对称，实现欧姆接触；（2）电路补偿,四、霍尔元件误差及补偿,1.不等位电势误差的补偿,霍尔式传感器,图二.4为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。,图二.4 霍尔元件的等效电路,可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。,霍尔式传感器,此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的
18、电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图二.5所示。,图二.5 不等位电势补偿电路,霍尔式传感器,2.温度误差及其补偿,温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其中载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。,霍尔式传感器,减小霍尔元件的温度误差,选用温度系数小的元件采用恒温措施采用电路补偿,霍尔式传感器,霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成,
19、KH=KH0(1+T),式中：KH0温度T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；霍尔电势温度系数。,恒流源温度补偿,霍尔式传感器,大多数霍尔元件的温度系数是正值，它们的霍尔电势随温度升高而增加T倍。但如果同时让激励电流IH相应地减小，并能保持KH IH 乘积不变，也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。,霍尔式传感器,图二.6就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。,恒流源温度补偿电路,图二.6,在图二.
20、6所示的温度补偿电路中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，温度补偿电阻为Rp0，根据分流概念得,当温度升至T时，电路中各参数变为,式中：霍尔元件输入电阻温度系数；分流电阻温度系数。,霍尔式传感器,则,虽然温度升高了T，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则,KH0IH0B=KHIHB,KH0IH0=KHIH,霍尔式传感器,经整理并略去(T)2高次项后得,当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由上式即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足Rp0及两个条件，分流电阻可取温度系数不同的
21、两种电阻的串、并联组合，这样虽然麻烦但效果很好。,霍尔式传感器,合理选择负载电阻,当温度为T时RL上的电压表示为：,当温度由T变成T+T时，则RL上的电压变为,霍尔式传感器,要使UL不受温度变化影响，即UL=0，由上两式可知,整理得:,霍尔式传感器,采用热敏元件,对于由温度系数大的半导体材料（锑化铟）制成的霍尔元件，常采用下图的温度补偿电路,在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者温度变化一致。,霍尔式传感器,2023/1/20,56,三、霍尔式传感器的应用,霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即 EH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个
22、量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。,2023/1/20,57,（1）当B恒定，UH与I呈线性关系,（2）当I恒定，UH与B成正比,（3）当I恒定，元件在均匀梯度磁场中运动时,直接测量电流能转换成电流的其它物理量,测量交、直流磁感应强度,可测量微位移，以及压力、加速度、振动等,2023/1/20,58,霍尔特斯拉计,霍尔元件,2023/1/20,59,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔元件,测量铁心 气隙的B值,2023/1/20,60,霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,在位移测量中得到广泛应用。,霍尔式微位移传感器,2023/
23、1/20,61,霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,S,N,线性霍尔,磁铁,2023/1/20,62,霍尔转速表原理,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,2023/1/20,63,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动
24、状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,2023/1/20,64,霍尔转速表的安装方法,只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。,霍尔元件,磁铁,2023/1/20,65,输入轴,转盘,霍尔元件,磁铁,2023/1/20,66,输入轴,转盘,霍尔元件,磁铁,2023/1/20,67,输入轴,转盘,霍尔元件,磁铁,2023/1/20,68,输入轴,转盘,霍尔元件,磁铁,2023/1/20,69,霍尔无刷电机,2023/1/20,70,霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相
25、对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,2023/1/20,71,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,2023/1/20,72,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三,相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。,2023/1
26、/20,73,电动自行车的无刷电动机及控制电路,去速度控制器,利用PWM调速,2023/1/20,74,光驱用的无刷电动机内部结构,2023/1/20,75,霍尔式接近开关,当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,2023/1/20,76,霍尔式接近开关,用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。,在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。,202
27、3/1/20,77,霍尔式接近开关用于转速测量演示,软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,n,=,60,f,4,(r/min),2023/1/20,78,霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,2023/1/20,79,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍尔IC,EH=KH I0B,I,I,2023/1/20,80,其他霍尔电流传感器,2023/1/20,81,其他霍尔电流传感器,2023/1/20,82,霍尔钳形电流表（交直流两用）,压舌,豁口,2023/
28、1/20,83,霍尔钳形电流表演示,直流200A量程,被测电流的导线未放入铁心时示值为零,70.9A,2023/1/20,84,钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过,霍尔钳形 电流表演示,2023/1/20,85,钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过,霍尔钳形 电流表演示,70.9A,2023/1/20,86,霍尔钳形电流表的使用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处，将钳形表的铁心张开,将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,2023/1/20,87,霍尔钳形电流表的使用,叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便,用钳形表测量 电动机的相电流,2023/1/20,88,霍尔式电
29、流谐波分析仪,被测电流的谐波频谱,铁心的 开合缝隙,铁心的 杠杆压舌,2023/1/20,89,霍尔传感器 电流测量,2023/1/20,90,霍尔计数装置,6、自动供水装置,自动供水装置可实现凭牌定量供水，具有节约用水而又卫生的优点，其结构如图所示。锅炉中的水由受控于控制电路的电磁阀控制水的流出与关闭。当用水者打开水时，将铁制的取水牌从投牌口投入，取水牌沿着由非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到霍尔传感器位置时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，水龙头便放出开水，经一定延时之后，控制电路使电磁阀关闭，又恢复停止供水状态。,霍尔式微压力传感器,被测压力使弹性波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而，使霍尔器件在磁路系统中运动，改变了霍尔器件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电势的大小和极性的改变。由于波纹膜盒及霍尔器件的灵敏度很高，所以可用于测量微小压力的变化。,2023/1/20,93,结束,
