第5章电动势式传感器.ppt

第5章 电动势式传感器 5.1 磁电感应式传感器 5.2 霍尔传感器 5.3 压电式传感器 5.1 磁电感应式传感器 简称感应式传感器，也称电动式传感器。将被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机－电能量变换型传感器。 优点：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率响应（一般10～1000Hz），灵敏度较高，一般不需要高增益放大器。 缺点：传感器的尺寸和重量都较大。 应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。 5.1.1 工作原理： 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φ发生变化，在导体中产生感应电动势ｅ，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ｅ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： ｅ=－Ndφ/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： ｅ=－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： ｅ=－NBS 5.1.2 磁电感应式传感器的类型 按照磁场感应方式分类，可分为： 1、变磁通式传感器： 在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般用来测量旋转物体的角速度，产生感应电动势的频率作为输出。 2、恒定磁通式传感器 其运动部件可以是线圈或者磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种结构类型。 5.1.3 特性分析 磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。 1、主要技术指标： （1）输出电流I0 ， （2）电流灵敏度SI ， （3）输出电压U0 （4）电压灵敏度SU 。 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，从而产生测量误差，其相对误差为 根据这种误差产生的不同因素，相对误差又可分为非线性误差和温度误差 。 3、频率响应特性分析 其幅频特性与相频特性分别为 ： 磁电感应式速度传感器的幅频响应特性曲线 5.1.4磁电感应式传感器应用 不需外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率响应范围（一般为10～1000Hz），可用于振动、转速、扭矩等方面测量。 1.磁电感应式振动加速度传感器 2.磁电感应式转速传感器 3.磁电感应式扭矩仪 4.磁流量传感器 5.2 霍尔传感器 霍尔式传感器是基于霍尔效应原理将被测量，如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一种传感器。 优点：霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围（输出电动势的变化）大，无触点，寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电路化。 缺点：转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿。 因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到广泛应用。 5.2.1 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 5.2.2 霍尔元件结构及其特性分析 霍尔元件常用的半导体材料有N型硅（Si）、N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）等。霍尔元件在电路中可用两种符号表示，如图： 霍尔元件的主要技术参数 霍尔元件的主要技术参数有灵敏度、输入输出电阻、额定控制电流、不等位电势、不等位电阻、寄生直流电势、感应零电势、霍尔电势温度系数、电阻温度系数、灵敏度温度系数、线性度等。 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 由于制造工艺问题以