傳感器原理-速度傳感器(磁電霍爾

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1、速度測量概述,1、轉(zhuǎn)速測量中主要考慮的問題,1）被測物體運(yùn)動(dòng)的速度范圍,超低速(0.102.00r/min) 低速(0.5500r/min) 中高速(2020000r/min) 高速(500200000r/min) 超高速(500600000r/min) 全速(0.10600000r/min),適用的測速 傳感器較多,2）被測物體可測點(diǎn)幾何形狀,例：光軸、齒輪、葉片、帶孔、帶槽、帶銷、微型電機(jī),3）環(huán)境條件,4）動(dòng)態(tài)/靜態(tài)時(shí)的顯示、記錄、控制,5）誤差、響應(yīng)時(shí)間、輸出控制形式,2、轉(zhuǎn)速測量的分類及實(shí)現(xiàn)方案,根據(jù)傳感器安裝方式： 1接觸式 2非接觸式,根據(jù)傳感器不同： 1磁電 2光電 3霍爾 4

2、磁敏,3、轉(zhuǎn)速測量電路,1）轉(zhuǎn)速測量儀的基本組成：,2）轉(zhuǎn)速測量基本方法,定數(shù)采樣：這種方法其實(shí)是測量單個(gè)脈沖的周期或指定個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法又叫做測周法。 定時(shí)采樣。這種方法其實(shí)是測量單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做測頻法。,頻率電壓轉(zhuǎn)換(f/V),頻率轉(zhuǎn)速 N=f/分頻數(shù),4、轉(zhuǎn)速傳感器的選擇原則,測量環(huán)境 價(jià)格 測量范圍 可靠性 系統(tǒng)功耗,單位r/min r/s,一、霍爾效應(yīng)和霍爾元件的工作原理,在半導(dǎo)體薄片中通以電流I,在與薄片垂直方向加磁場B，則在半導(dǎo)體薄片的另外兩端，產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和B乘積成正比的電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢稱為霍爾電勢

3、，該薄片稱為霍爾元件。,1、霍爾效應(yīng),2、霍爾電勢,UH KH I B,單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用時(shí)，所能輸出的霍爾電勢的大小。單位是mV/（mAT）,意義：與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，決定霍爾電勢的強(qiáng)弱。,若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件的平面法線夾角為時(shí)，霍耳電勢應(yīng)為：,VH KH I B cos,霍耳器件薄膜化是提高靈敏度的一個(gè)途徑。,霍爾電壓UH為：,式中 n 半導(dǎo)體單位體積中的載流子數(shù),e 電子電量,KH霍爾元件靈敏度，KH1/ned,霍爾器件符號(hào),C、D：霍耳輸出端，稱為霍爾端或輸出端。,A、B：電極端，稱為元件電流端、控制電流端或 輸入電流端。,紅色導(dǎo)線,紅色導(dǎo)線,綠色導(dǎo)

4、線,綠色導(dǎo)線,一般為4mm2mm0.1mm,二材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),霍爾元件一般采用具有N型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成。,1.銻化銦元件的輸出較大，但受溫度的影響也較大。,2.鍺元件的輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。,3.砷化銦元件的輸出信號(hào)沒有銻化銦元件大，但是受溫度的影響卻比銻化銦的要小，而且線性度也較好。,采用砷化銦為霍爾元件的材料得到普遍應(yīng)用。,特點(diǎn),小結(jié),材料：鍺 、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦,靈敏度低、溫度特性及線性度好,靈敏度最高、受溫度影響大,霍爾元件的主要特性參數(shù)：,(1) 輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻 (2)

5、 額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在 空氣中產(chǎn)生10溫升時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電流值 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì) 應(yīng)的控制電流值,(3) 不等位電勢Uo和不等位電阻ro,不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測得的空載霍爾電勢。 不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決定的， r 0稱不等位電阻,霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo),四、霍爾元件連接方式和輸出電路,特點(diǎn)：,（1）測量磁物理量、電量及其它物理量 （2）實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，構(gòu)成各種非線性運(yùn)算部件 （3）輸出信號(hào)的信噪比大 （4）頻率范圍寬：直流 數(shù)百千赫茲 （5

6、）體積小、重量輕 （6）穩(wěn)定性好、壽命長,2、霍爾元件連接方式,控制電流端并聯(lián) 輸出電勢為：2倍,控制電流端串聯(lián) 次級(jí)繞阻疊加輸出,3、霍爾電勢的輸出電路,四端器件 輸出電勢：mV量級(jí),五、霍爾元件的測量誤差及補(bǔ)償方法,1、零位誤差及補(bǔ)償,電橋補(bǔ)償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻,六、霍爾開關(guān)集成傳感器,集成霍爾元件,和開關(guān)型兩大類,可分為線性型,1、結(jié)構(gòu)及工作原理,材料：硅 工藝：硅平面工藝,提高靈敏度,N型硅外延層很薄 集成工藝,工作原理：,有磁場：VH，放大，整形： 開啟閾值，高電平 VT導(dǎo)通，具有吸收電流的負(fù)載能力,磁場減弱：VH 減小，放大，整形： 關(guān)閉閾值， 翻轉(zhuǎn)，低電平，VT截止

7、,開狀態(tài),關(guān)狀態(tài),2、工作特性,3、接口電路,4、磁場施加方式,（3）采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度,六、霍爾線性集成傳感器,1、結(jié)構(gòu)及工作原理,輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系,構(gòu)成：霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓、 電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整、線性度調(diào)整,2、主要技術(shù)特性,霍爾線性集成傳感器的技術(shù)參數(shù),七、霍爾傳感器的應(yīng)用,1、霍爾位移傳感器,磁場梯度越大，靈敏度越高 磁場梯度越均勻，輸出線性越好,測量范圍：1 2 mm,2、磁感應(yīng)強(qiáng)度測量儀,3、直流功率測量儀,4、轉(zhuǎn)速測量,5、測量電流,測量大直流電流（10kA）：電阻器分流,霍爾元件測量電流：檢測通電導(dǎo)線周圍的磁場,簡單、測量精度差、

8、 受外界干擾大,環(huán)形鐵芯集中磁力線， 提高電流測量精度,6、測量表面覆蓋層厚度,7、自動(dòng)憑票供水裝置,霍爾式傳感器的應(yīng)用實(shí)例,霍爾轉(zhuǎn)速測量,霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）,霍爾元件,霍爾角位移測量,霍爾鉗形電流表的使用,叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便,用鉗形表測量 電動(dòng)機(jī)的相電流,實(shí)驗(yàn)探究1,若閉合電路中有感應(yīng)電流,電路中就一定有電動(dòng)勢. 演示實(shí)驗(yàn)并播放動(dòng)畫 畫出等效電路圖,實(shí)驗(yàn)探究2：在向線圈中插入條形磁鐵的實(shí)驗(yàn)中，磁鐵的磁場越強(qiáng)、插入的速度越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電流就越大。,實(shí)驗(yàn):電磁感應(yīng)插磁鐵,實(shí)驗(yàn)探究3:,一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理,B：穩(wěn)恒均勻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度； L：導(dǎo)體有效長度； V：導(dǎo)體相對(duì)磁

9、場運(yùn)動(dòng)速度。,導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中運(yùn)動(dòng),N匝線圈處于變化的磁場中,兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。,開磁路變磁通式：結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。,1、變磁通式,閉磁路變磁通式：感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。,2、恒定磁通式,2、恒定磁通式,B0：工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； l：每匝線圈平均長度； N：線圈在工作氣隙磁場 中的匝數(shù)； v：相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。,二、 磁電感應(yīng)式傳感器基本特性,Rf：測量電路輸入電阻； R：線圈等效電阻。,傳感器的電流靈敏度為,輸出電壓和電壓靈敏度分別為,為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)。,提高靈敏度方法： 選用具有磁能積較大的永久磁鐵； 盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B； 增加和N，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。,三、磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路,磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，且傳感器通常具有較高的靈敏度，不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測位移或加速度信號(hào)，則需要配用積分或微分電路。,四、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器,1、芯軸 2、外殼 3、彈簧片 4、鋁支架 5、永久磁鐵 6、線圈 7、阻尼環(huán) 8、引線,