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1、5磁电式传感器,5.1磁电感应式传感器,磁电感应式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,根据电磁感应定律，当N匝线圈在均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，产生的感应电势大小决定于穿过线圈的磁通量的变化率。,一、磁电感应式传感器工作原理,二、结构类型,1、恒磁通式传感器（动圈式图a、动铁式图b）在这类磁电式传感器中，工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于工作气隙中的线圈与磁钢之间作相对运动，线圈切割磁力线产生的。其值与相对运动速度成正比。当线圈相对于磁场方向作直线运
2、动或旋转运动时，所产生的感应电动势e为：e=NBlv,l为每匝线圈的平均长度 B为线圈所在磁场的磁感应强度 S为每匝线圈的平均截面积,在传感器结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度v成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。,2、变磁通式(开磁路式图a，闭磁路式图b)产生磁场的永久磁铁和线圈固定不动，而是通过磁通的变化产生感应电动势。常用来测量旋转物体的角速度。,之前学过的传感器可以通过改变或增加敏感元件的方法测量更多的物理参数：,1、电阻式传感器：,基本测量量：位移力加速
3、度 基本测量量：形变力加速度,2、电感式传感器：,基本测量量：位移力加速度,3、电容式传感器：,基本测量量：位移力加速度,思考：如何让磁电式传感器可以测量振动、位移(静态)、加速度(静态)？,振动,振动,三、测量电路,磁电感应式传感器直接输出感应电势。所以任何具有一定工作频带的电压表或示波器都可采用。并且由于该传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要增益放大器。但磁电感应式传感器是速度传感器，如要获取位移或加速度信号，就需配用积分电路或微分电路,四、感应式传感器的应用,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年美国物理学家爱德文霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,
4、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、压力、加速度、振动等方面的测量。按照霍尔器件的功能可分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。,一、霍尔效应,在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，产生的电势差称为霍尔电压。,FLevB e为载流子电荷量；v为载流子的运动速度；B为磁感应强度,以N型半导体为例，导电的载流子是电子。在垂直方向的磁场作用下，电子受到洛仑兹力 FL
5、作用，其方向用右手定则判断。,在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，这两端面因电荷积累而建立了一个电场Eh，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有eEhevB,由上可推得：,RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱。kH为霍尔灵敏度，它表示霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。,由上式可见：1）霍尔电压UH与材料的性质有关。材料的载流子浓度小，RH就大。金属的载流子浓度很大，所以产生的霍尔电势UH就极小，故不宜做成元件。在半导体材料
6、中，由于电子的迁移率比空穴的大，即np，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d愈小，kH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。3）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。所以，它可以用于感应磁场强度和电流大小。,RH 载流体的电阻率、载流子迁移率(迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值)kHRH/d,二、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。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1-1两根引线加控制电压或电流，称控制电极（激励电极）；2-2引线为霍尔电
7、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，霍尔元件一般符号如图所示。,三、霍尔元件基本特性,1、输入电阻和输出电阻 控制电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,其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20时确定的2、不等位电势 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（如片厚薄不均匀等）;激励电极接触不
8、良造成激励电流不均匀分布等。这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电势。,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。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用电桥平衡来补偿不等位电势。,四、温度特性及补偿,霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。,1.分流电阻法 即输入端回路采用恒流源并联补偿电阻R,r霍尔元件输入电阻R选用的温度补偿电阻I0被
9、分流的电流Ic控制电流kH霍尔元件灵敏系数,对于确定的霍尔元件，它的相关参数是确定值，并联电阻的温度系数也可事先确定，那就可以通过上式求出对并联电阻的要求。,若温度变化霍尔电压不变，则有UH=UH0，即,温度未变化时，电路的分流关系为,所以，温度变化T时，电路的分流关系为,整理上式，得,2、利用输出回路的负载进行补偿。,六、霍尔传感器应用,霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即E=kIBcos，人们利用这个关系可以使其中两个变量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动
10、态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等参数测量以及自动控制。,1、位移测量,在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度为一常数，如图所示。则当霍尔元件沿x方向移动时，有：,式中K为位移传感器输出灵敏度。将上式积分后得:,2、角位移测量仪,霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势就反应了转角变化。不过，这个变化是非线性的（UH正比于cos），若要求成线性关系，必须采用特定形状的磁极。,3、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，将线性形霍尔器件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。,4、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，使霍尔器件2在磁路系统1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。,作业：5.2,
