传感器与检测技术第7章 磁敏式传感器.ppt

* 检 测 技 术 电子与信息工程学院 主讲人：赫健 第7章 磁敏式传感器 主要介绍两类传感器： 1、磁电感应式传感器 2、霍尔式传感器 根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势E的大小决定于穿过线圈的磁通量 的变化率，即 若线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势为 若线圈以角速度旋转时，感应电动势为 一、工作原理 检测技术 7.1 磁电感应式传感器 第7章 磁敏式传感器 恒磁通式传感器是指在测量过程中使导体(线圈)位置相对于恒定磁通变化而实现测量的一类磁电感应式传感器。按其结构可分为动圈式和动铁式两种。 检测技术 7.1 磁电感应式传感器 第7章 磁敏式传感器 1、分类 磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类 。 (1) 恒磁通式传感器 图7.1 恒磁通式传感器结构 检测技术 7.1 磁电感应式传感器 第7章 磁敏式传感器 (2) 变磁通式传感器 变磁通式传感器是靠改变磁路的磁通大小进行测量的，即通过改变测量磁路中气隙的大小改变磁路的磁阻，从而改变磁路的磁通。按其结构可分为开磁路和闭磁路式两种。 图7.2 变磁通式传感器结构 ★ 永久磁铁的磁感应强度随温度的增加而减小，所以 感应电动势也随温度的增加而减小。 其中，R为传感器线圈的等效电阻；Rf为测量电路输入电阻，即指示器的电阻，包括线圈电阻和附加电阻。 检测技术 7.1 磁电感应式传感器 第7章 磁敏式传感器 2、基本特性 (1) 等效电路 图7.3 等效电路 (2) 温度对磁电感应式传感器的影响 当温度增加t时，电流为 ★ 传感器的线圈电阻温度系数为正，温度增加会造成输出电流减小。 温度误差补偿方法：在传感器的磁铁下设置热磁分路。 检测技术 7.1 磁电感应式传感器 第7章 磁敏式传感器 则温度误差为 检测技术 7.1 磁电感应式传感器 第7章 磁敏式传感器 二、测量电路 图7.4 测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。如图7.4所示。 检测技术 7.1 磁电感应式传感器 第7章 磁敏式传感器 图7.5 动圈式振动速度传感器结构 三、磁电感应式传感器的应用 以动圈式振动速度传感器为例，其结构如图7.5所示。 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，而架空的心轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路气隙中的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送到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中接入积分电路，则输出电动势与位移成正比；若在测量电路中接入微分电路，则其输出电动势与加速度成正比。 检测技术 第7章 磁敏式传感器 7.1 磁电感应式传感器 一、工作原理 1、霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势，半导体薄片称为霍尔元件。 设霍尔元件的长度为l，宽度为b，厚度为d。又设霍尔元件中的电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力的作用，原理如图7.6所示。 7.2 霍尔式传感器 检测技术 第7章 磁敏式传感器 当达到动态平衡时 ，则 同时，作用于电子的电场力为 其中，q为电子电量；B为磁感应强度；v为电子平均运动速度。 检测技术 7.2 霍尔式传感器 第7章 磁敏式传感器 图7.6 霍尔效应原理图 洛伦兹力fL的大小为 当电子浓度为n，电子定向运动平均速度为v时，根据电流的定义有 定义霍尔系数为 检测技术 7.2 霍尔式传感器 第7章 磁敏式传感器 其中，RH为霍尔系数，由载流材料物理性质决定。 若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时，霍尔电势应为： 令 ，则 当控制电流I的方向或磁场(磁感应强度为B)方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。 检测技术 7.2 霍尔式传感器 第7章 磁敏式传感器 其中，KH为霍尔元件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电势的大小。 (1)