11磁电式传感器[第九章].pptVIP

第九章 磁电式传感器 ;概述 ; 电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。;9.1 磁电感应式传感器;由 磁电式传感器灵敏度：; 图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。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上齿数的乘积。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的场合。 ; 图为闭磁路变磁通式传感器，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，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。 ;9.1.2 磁电感应式传感器基本特性; 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φI，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。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势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。当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感应电势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。 ;传感器电流的磁场效应; 2. 温度误差 当温度变化时，式（9-1）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（9-1）可得近似值如下： ;9.1.3 磁电感应式传感器的应用; 信号输出测量电路 直接输出电动势测量速度； 接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。 ; 磁电式扭距传感器： 当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。; 磁电式振动传感器的特点： 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。 输出阻抗低几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。 航空，发动机等设备的振动实验； 兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射； 民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。;9.2 霍尔式传感器 ;测磁的方法： ①利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； ②利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场； ③利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； ④利用超导效应传感器； ⑤利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。;概述;9.2.1 霍尔效应;霍尔效应演示;在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： ;霍尔电势：;磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 ;讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件; 绝缘材料电阻率ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用； 金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小; 半导体材料电阻率ρ较大 RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用 N 型半导体（多电子）; 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d≈1μm) 。;9.2.2 霍尔元件的基本结构与基本测量电路 ;