磁敏式传感器PPT格式课件下载.ppt
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有如下关系:
根据这一原理,可以设计成两种磁电传感器结构:
变磁通式和恒磁通式。
图图6-6-11是变磁通式磁电传感器,用来测量旋转物体的角是变磁通式磁电传感器,用来测量旋转物体的角速度。
速度。
6.1磁电感应式传感器6.1磁电感应式传感器图图6-16-1(aa)为开磁路变磁通式:
)为开磁路变磁通式:
线圈、磁铁静止不动,测量齿线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。
每转动一个齿,齿一起转动。
每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,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齿数的乘积。
这种传感器结构简单,但被测转速与测量齿轮齿数的乘积。
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。
转速。
6.1磁电感应式传感器图图6-16-1(bb)为闭磁路)为闭磁路变磁通式,它由装在变磁通式,它由装在转轴上的内齿轮和外转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感齿轮、永久磁铁和感应线圈组成,内外齿应线圈组成,内外齿轮齿数相同。
当转轴轮齿数相同。
当转轴连接到被测转轴上时,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生电动势。
显通的变化,使线圈内产生周期性变化的感生电动势。
显然,感应电势的频率与被测转速成正比。
然,感应电势的频率与被测转速成正比。
图图6-26-2恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图图图6-26-2恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图6.1.1磁电感应式传感器磁路系统产生恒定的直流磁场,磁路中的工作气磁路系统产生恒定的直流磁场,磁路中的工作气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。
隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。
当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件质量相对较大。
当振动频率足够高(,运动部件质量相对较大。
当振动频率足够高(远大于传感器固有频率)时,运动部件惯性很大远大于传感器固有频率)时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动。
,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动。
6.1.1磁电感应式传感器振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势为圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势为:
式中:
B0B0工作气隙磁感应强度;
工作气隙磁感应强度;
LL每匝线圈平均长度;
每匝线圈平均长度;
ww线圈在工作气隙磁场中的匝数;
线圈在工作气隙磁场中的匝数;
vv相对运动速度。
相对运动速度。
6.1磁电感应式传感器6.1.26.1.2磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路中,磁电传感器的当测量电路接入磁电传感器电路中,磁电传感器的输出电流输出电流II为为:
(6-36-3)式中:
RRff测量电路输入电阻;
测量电路输入电阻;
RR线圈等效电阻。
线圈等效电阻。
传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为:
6.1磁电感应式传感器而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为:
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、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而产生测机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化而产生测量误差。
相对误差为量误差。
相对误差为磁电式传感器在使用时存在误差,主要为磁电式传感器在使用时存在误差,主要为非线性误非线性误差和温度误差。
差和温度误差。
6.1磁电感应式传感器图图6-36-3传感器电流的磁场效应传感器电流的磁场效应1)1)非线性误差非线性误差:
磁电式传感器产生非线性误差的主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要原因是:
由于传感器线圈内有电流II流过时,将流过时,将产生一定的交变磁通产生一定的交变磁通II,此交变磁通叠加在永久,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磁铁所产生的工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化如图化如图6-36-3所示。
所示。
6.1磁电感应式传感器为了补偿附加磁场的干扰,可在传感器中加入为了补偿附加磁场的干扰,可在传感器中加入补偿线圈补偿线圈。
补偿线圈中通以经过。
补偿线圈中通以经过KK倍的放大电倍的放大电流,适当选择补偿线圈参数,使其产生的交变流,适当选择补偿线圈参数,使其产生的交变磁通与传感器线圈本身产生的交变磁通相互抵磁通与传感器线圈本身产生的交变磁通相互抵销。
销。
22)温度误差温度误差当当温度变化时,式(温度变化时,式(6-7)中右边三项)中右边三项都不为零,对铜线而言每摄氏度变化量为都不为零,对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.16710-4,dR/R0.4310-2,dB/B每摄氏度每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。
对铝镍钴永久的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。
对铝镍钴永久磁合金,磁合金,dB/B-0.0210-2,这样由式(,这样由式(6-7)可得近)可得近似值似值:
这一数值是很可观的,所以需要进行这一数值是很可观的,所以需要进行温度补偿温度补偿。
补偿通常采用热磁分流器。
热磁分流器由具有很大负补偿通常采用热磁分流器。
热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。
它在正常工作温度下温度系数的特殊磁性材料做成。
它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。
已将空气隙磁通分路掉一小部分。
6.1磁电感应式传感器磁电式传感器直接输出感应电动势,且传感器通常磁电式传感器直接输出感应电动势,且传感器通常具有较高的灵敏度,不需要高增益放大器。
但磁电具有较高的灵敏度,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。
图度信号,则需要配用积分或微分电路。
图6-6-44为一般测量电路方框图。
为一般测量电路方框图。
图图6-46-4磁电感应式传感器测量电路方框图磁电感应式传感器测量电路方框图6.1磁电感应式传感器6.1.36.1.3磁电感应式传感器测量电路磁电感应式传感器测量电路霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电动势的一种传感器。
霍尔效应)而输出电动势的一种传感器。
随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成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霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
发展。
霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、霍尔传感器广泛用于电磁测量电流、磁场、压力、加速度、振动等方面的测量。
加速度、振动等方面的测量。
6.2霍尔传感器6.2.16.2.1霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件11)霍尔效应)霍尔效应置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应,该电势称个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应,该电势称霍尔电势,半导体薄片称霍尔元件。
霍尔电势,半导体薄片称霍尔元件。
图图6-6-55所示,在垂直于外磁场所示,在垂直于外磁场BB的方向上放置一个导电板,导的方向上放置一个导电板,导电板通以电流电板通以电流II,方向如图所示。
,方向如图所示。
霍尔效应原理图霍尔效应原理图6.2霍尔传感器ccddaabb霍尔效应UHbldIFLFEvB导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。
此时,每个电子受洛仑磁力定向运动。
此时,每个电子受洛仑磁力FmFm的作用的作用,FmFm的大小为:
的大小为:
ee-电子电荷;
电子电荷;
vv-电子运动平均速度;
电子运动平均速度;
BB-磁场的磁感应强度。
磁场的磁感应强度。
FmFm的方向在图的方向在图6-6-55中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在运动外,还在FmFm的作用下向上漂移,结果使金属的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下导电板上底面积累电子,而下6.2霍尔传感器底面积累正电荷,从而形成了附加内电场底面积累正电荷,从而形成了附加内电场EEHH,称霍尔电场,该电场强度为,称霍尔电场,该电场强度为:
当满足当满足则则此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。
此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。
6.2霍尔传感器若金属导电板单位体积内电子数为若金属导电板单位体积内电子数为nn,电子定向运动平均速度为,电子定向运动平均速度为vv,则激励电流,则激励电流I=nvbdI=nvbd(-e-e),则,则:
(6-146-14)将式(将式(6-146-14)代入式()代入式(6-126-12)得)得:
(6-156-15)将上式代入式(将上式代入式(6-106-10)得)得:
(6-166-16)6.2霍尔传感器式中令式中令RRHH=-=-1/1/(nene),称之为霍尔常数,其大小取决于导,称之为霍尔常数,其大小取决于导体载流子密度,则体载流子密度,则:
式中式中:
KKHH=R=RHH/d/d称为霍尔片的灵敏度。
称为霍尔片的灵敏度。
由式(由式(6-6-1717)可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应)可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数强度,其灵敏度与霍尔常数RRH
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