《电动势传感器》PPT课件.ppt

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1、5.1磁电感应式传感器5.2霍尔式传感器5.3 压电式传感器,第5章 电动势传感器,电动势传感器是通过磁电效应或压电效应将被测量（振动、位移、转速等）转换成电信号（感应电动势）的一类传感器。,5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称感应式传感器或电动式传感器。它利用电磁感应原理将被测量转换成感应电动势，是一种机电能量变换型传感器。优点：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,是有源传感器；由于它输出功率大且性能稳定,，输出阻抗小，灵敏度较高，一般不需要高增益放大器，而且具有一定的工作带宽（101000 Hz）,所以得到普遍应用。缺点：传感器的尺寸和重量都较大。应用：适

2、用于振动、转速、位移、扭矩等测量。,5.1.1 磁电感应式传感器工作原理根据法拉第电磁感应定律,当运动导体在磁场中切割磁力线时，闭合导体回路中的磁通量发生变化，在导体中产生感应电动势，当导体形成闭合回路就会出现感应电流。导体中感应电动势的大小与回路所包围的磁通量的变化率成正比，那么N匝线圈在变化磁场中感应电动势为：=Nd/dt,当线圈垂直于磁场方向运动以速度 v切割磁力线时，感应电动势为：=NBlv 式中l代表每匝线圈的平均长度；B为线圈所在磁场的磁感应强度。若线圈以角速度转动，S为每匝线圈的平均截面积，则上式可写成：=NBS,不同类型的磁电感应式传感器,闭合线圈磁通量变化的实现办法：磁路中磁

3、阻的变化；恒定磁场中磁铁与线圈之间做相对运动；恒定磁场中线圈等效面积的变化。直接应用：测定速度 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。,5.1.2 磁电感应式传感器类型根据磁场方式,可以设计成两种磁电传感器结构:变磁通式和恒磁通式。1 变磁通式（也称变磁阻式）线圈和磁铁部分都是固定的；与被测物体连接并运动的部分由导磁材料制成，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。用来测量角速度，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。结构：闭磁路、开磁路。,（1）闭磁路变磁通式传感器 内齿轮

4、装在转轴上，外齿轮、永久磁铁和感应线圈固定,内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，内齿轮随被测轴转动，外齿轮不动,内外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期变化,引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。,（2）开磁路变磁通式传感器 同样，线圈磁铁固定不动,测量齿轮（导磁材料）安装在被测旋转体上,随之一起转动。每转动一个齿,它与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次,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。,4,3,2,1,N,S

5、,2 恒定磁通式 恒定磁通式磁电传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场,磁路中的工作气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈或者磁铁，因此又分为动圈式（a）和动铁式(b)两种结构类型。,动圈式和动铁式的工作原理完全相同。当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件（线圈或者磁铁）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,几乎静止不动,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e=

6、-NBlv,动圈式,动铁式,e=-NBlv 式中:B 工作气隙磁感应强度;l每匝线圈平均长度;N线圈在工作气隙磁场中的匝数;v相对运动速度。,原理：,壳体随被测物体振动；软弹簧吸收能量；动圈或动铁对地保持静止,与壳体的相对速度近于振动速度；线圈切割磁力线。,相对测量原理：当被测体的振动频度比传感器固有频率0大很多时（0），磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度，可以用相对运动代替绝对运动。其中：,5.1.3 磁电感应式传感器特性分析1.主要技术指标（1）输出电流 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 式中:Rf测量电路输入电阻;R 线圈等效电阻。,（2）传感器

7、的电流灵敏度为（3）传感器的输出电压和电压灵敏度分别为,2.静态误差 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。根据误差产生的原因，又分为非线性误差和温度误差。（1）非线性误差 磁电感应式传感器产生非线性误差的主要原因:由于传感器线圈内有电流I0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附图所示。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I0,由此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

8、增大而降低。,当线圈的运动速度与附图所示方向相反时,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,这种非线性越严重。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5.3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。,（2）温度误差 当温度变化时,式（5.9）中右边

9、三项都不为零,对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.16710-4,dR/R0.4310-2,dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金,dB/B-0.0210-2,这样由式(5.9)可得近似值:x(-4.5%)/10 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。,5.1.4 磁电感应式传感器

10、的应用 1.磁电感应式振动速度传感器 图 5.8 是动圈式振动速度传感器结构示意图。其结构主要由钢制圆形外壳制成,里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体,永久磁铁中间有一小孔,穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环,芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。,1-芯轴 2-外壳 3-圆形膜片 4-铝架 5-永久磁铁 6-线圈 7-阻尼环 8-引线,工作时,传感器与被测物体刚性连接。当物体振动时,传感器外壳和永久磁铁随之振动,而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动，它们与磁铁产生相对运动。因而,线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量

11、的是振动速度参数,若在测量电路中接入积分电路,则输出电势与位移成正比;若在测量电路中接入微分电路,则其输出与加速度成正比。,基本工作原理,2.磁电式转速传感器 图5.9是磁电式转速传感器工作原理图。,测速发电机,磁电式车速传感器,3.磁电式扭矩仪 图5.10是磁电式扭矩仪的工作原理图。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。磁电传感器的结构见下图所示。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,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

12、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。,相位差扭转角 扭矩,4.磁流量传感器,电磁流量传感器的结构,交流磁场,当导电流体沿测量管在磁场中垂直流动时，将切割磁力线产生感应电动势。其大小,5.2 霍尔式传感器,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。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

13、力、加速度、振动等方面的测量。霍尔效应原理 1.霍尔效应 置于磁场中的金属或半导体薄片,当有电流流过时，在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势,这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。该薄片称为霍尔元件。,图 5.12 所示,在垂直于外磁场B的方向上放置一导电薄片,薄片通以电流I,方向如图所示。导电薄片中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力fL的作用，fL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。,图5.12 霍尔效应原理图,fL的方向在图 中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在fL的作用下向上漂移,结果使金属导

14、电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场EH,称霍尔电场,该电场强度为 EH=式中UH为霍尔电势。霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,其大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受霍尔电场力与洛仑磁力大小相等、方向相反时,即eEH=evB，电子积累达到动态平衡。,电子积累达到动态平衡时的霍尔电势：式中RH 称之为霍尔系数,其大小取决于导体的电阻率和载流子的迁移率。式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式可见,霍尔电势正比于控制电流I及磁感应强度B，其灵敏度与霍尔

15、系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。利用霍尔效应制成的传感器称霍尔传感器，由于霍尔电势仅与控制电流及磁感应强度，常用来探测电流和磁场。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。,5.2.2 霍尔元件的结构及特性分析 1 材料与结构 由于霍尔元件的灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比，而霍尔系数大小取决于导体的电阻率和载流子的迁移率。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。,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。其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅线性度

16、最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟霍尔系数较小,温度系数较小,输出特性线性度好。下图为常见国产霍尔元件的技术参数。,霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如图所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图(b)所示。,基本电路,2.主要技术参数 1）灵敏度：单位B和单位I下的开路Hall电势。2）输入电阻和输出电阻 控制

17、电流极间的电阻值称为输入电阻；霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电压极间的电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在B为零且环境温度在205时确定的。3）额定控制电流和最大允许控制电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的控制电流称为额定控制电流；以元件允许最大温升为限制所对应的控制电流称为最大允许控制电流。因Hall电势随控制电流增加而增加,所以,使用中希望选用尽可能大的控制电流,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,可以使激励电流增加。,4）不等位电势和不等位电阻 霍尔元件在额定控制电流作用下,无外加磁场时,其Hall电势应该为零,但实际不为零。这时测得的空载霍尔

18、电势称不等位电势。产生这一现象的原因有:霍尔电极安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。不等位电势也可用不等位电阻表示,式中:U0不等位电势;R0不等位电阻;IC额定控制电流。由上式可以看出,不等位电势就是控制电流流经不等位电阻R0所产生的电压。5）寄生直流电势 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,称寄生直流电势。其产生的原因有:,控制电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,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,散热状态不同形成

19、极向温差电势。寄生直流电势一般在 1mV以下,它是影响霍尔片温漂的原因之一。6）感应零电势 无控制电流时，霍尔元件在交流或脉动磁场中会有电势输出，这个输出就是感应零电势。主要由霍尔电极引线布置不合理引起。,7）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。它同时也是霍尔系数的温度系数。8）电阻温度系数温度每变化1时,霍尔元件电阻变化的百分率。9）霍尔电势温度系数温度每变化1时,霍尔元件灵敏度变化的百分率。10）线性度磁感应强度为1KG时相对于5KG时霍尔电压的最大差值的百分比。,3.电磁特性（1）UH-I特性 在磁场和环境温度一定时，Hall电势UH与控

20、制电流I之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度KI。KI=UH/I=KHIB/I=KHB（2）UH-B特性 当控制电流一定时，Hall电势UH与随B的增加并不是完全成线性关系，只有当B小于0.5T时，线性度才较好。（3）R-B特性 Hall输入（或输出）电阻与磁场之间的关系，Hall 元件的内阻随磁场的绝对值增加而增大，这种现象称为磁阻效应。,4.常用技术指标（1）低不等位电势（2）线性度好（3）稳定性好（4）分辨率高,5.2.3 霍尔元件的驱动电路,霍尔元件的基本驱动电路如图所示，电路比较简单，其中R用来调节控制电流，RL为负载电阻。,霍尔元件可采用两种方式：恒流驱动或恒压驱动,其中恒

21、压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。,5.2.4 霍尔元件的误差分析及补偿,霍尔元件的基本驱动电路如图所示，电路比较简单，其中R用来调节控制电流，RL为负载电阻。,5.2.4 霍尔元件的误差分析及补偿,1.霍尔元件的零位误差及其补偿,霍尔元件的零位误差包括不等位电势、寄生直流电势和感应零电势等，其中不等位电势是最主要的零位误差。要降低除了在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电路加以补偿。,（1）不等位电势及其补偿。,（a）两电极点不在同一等位面上（b）等位面歪斜霍尔元件不等位电势示意图,不等位电势与霍尔电势

22、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。,霍尔元件不等位电势补偿 由于不等位电势与不等位电阻是一致的,可以采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法。如附图所示,其中A、B为控制电极,C、D为霍尔电极,极分布电阻分别用R1、R2、R3、R4表示。理想情况下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位电势为零（或零位电阻为零）。实际上,由于不等位电阻的存在,说明此四个电阻值不相等,可将其视为电桥的四个桥臂,则电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻（如图5.17（a）所示）,或在两个桥臂上同时并联电阻（如图5.17(b)所

23、示）。,（2）寄生直流电动势,当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。该电动势是由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。它随时间而变化，导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的散热条件。,2.温度误差及补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化,从而使霍尔元件产生温度误差。为了减小霍尔元件的温度误差,除

24、选用温度系数小的元件或采用恒温措施外,由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施,可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的控制电流I变化所带来的影响。霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数,它随温度的变化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,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。并且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（1+T）倍。如果,与此同时让控制电流I相应地减小,并能保持KHI乘积不变,也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。图5.18就是按此思路设计的一个既简

25、单、补偿效果又较好的补偿电路。,电路中用一个分流电阻RP与霍尔元件的控制电极相并联。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自动地加强分流,减少了霍尔元件的激励电流I,从而达到补偿的目的。在图 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KH1,分流电阻为Rp0,根据分流概念得 当温度升至T时,电路中各参数变为,Ri=Ri0（1+T）Rp=Rp0（1+T）式中:霍尔元件输入电阻温度系数;分流电阻温度系数。则,虽然温度升高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 KH0IH0B=KHIHB 则 KH0IH0=K

26、H IH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。由式即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足R0及两个条件,分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合,这样虽然麻烦但效果很好。,附图给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图。磁场强度相同的两块永久磁铁,同极性相对地放置,霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零,此时位移x=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变,这时UH不为零,其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置

27、的变化量,这种结构的传感器,其动态范围可达 5 mm,分辨率为 0.001mm。,霍尔式传感器的应用 1.霍尔式微位移传感器 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,它不仅用于磁感应强度,有功功率及电能参数的测量,也在位移测量中得到广泛应用。,2.霍尔式转速传感器 下图是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。,3.霍尔计数装置 霍尔开关传感器SL35

28、01是具有较高灵敏度的集成霍尔元件,能感受到很小的磁场变化,因而可对黑色金属零件进行计数检测。附图是对钢球进行计数的工作示意图和电路图，当钢球通过霍尔开关传感器时,传感器可输出峰值20mV的脉冲电压,该电压经运算放大器A（A741）放大后,驱动半导体三极管VT（2N5812）工作,VT输出端便可接计数器进行计数,并由显示器显示检测数值。,4.霍尔磁感应强度测量仪,5.霍尔传感器测电流,6.霍尔开关电子点火器,7.霍尔元件在直流无刷电机中的应用,5.3.1 压电效应,某些物质，如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，物质表面会产生电荷；当外力去掉时，又恢复

29、到原来的状态。这种现象称之为压电效应。相反，如果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质产生机械变形的现象，称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。具有压电效应的物质称为压电材料（或称为压电元件）。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。,5.3 压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。广泛应用于力、压力、加速度等测量。这种传感器具有体积小、重量轻、精度及灵敏度高等优点。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，输出阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有250左右。它是一种发

30、电式传感器。,利用物质的压电效应制成的传感器称为压电式传感器。,5.3.2 工作原理,在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，其等效电路如图（a）所示，形成电场。两极板间聚集电荷，中间为绝缘体，使它成为一个电容器，如图（b）所示。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。,其电容量Ca为:式中：h压电片厚度；s极板面积；介质（压电材料）介电常数；0空气介电常数，其值为8.8610-4 F/cm；r介质的相对介电常数，随材料不同而不同。,压电式传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联的电路，如图5.28（a）；也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电路5.28（b）。,