传感器原理-速度传感器磁电霍尔

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1、速度测量概述 1、转速测量中主要考虑的问题 1）被测物体运动的速度范围 超低速 (0.10 2.00r/min) 低速 (0.5 500r/min) 中高速 (20 20000r/min) 高速 (500 200000r/min) 超高速 (500 600000r/min) 全速 (0.10 600000r/min) 适用的测速 传感器较多 2）被测物体可测点几何形状 例：光轴、齿轮、叶片、带孔、带槽、带销、微型电机 3）环境条件 4）动态 /静态时的显示、记录、控制 5）误差、响应时间、输出控制形式 2、转速测量的分类及实现方案 根据传感器安装方式： 1接触式 2非接触式 根据传感器不同：

2、1磁电 2光电 3霍尔 4磁敏 传感器 测量范围（ kHz） 感应对象 检测距离（ mm） 应用场合 磁敏传感器 0 10 铁、电工钢 0.5 1.5 速度、位移 磁电传感器 50 5000 电工钢 0.5 1 速度 霍尔传感器 0 10 磁铁 1 5 速度、位移 光电传感器 0 10 自然光、红外 光 1 15 速度、位移 接近开关 0 200Hz 金属 1 5 速度、位移 3、转速测量电路 1）转速测量仪的基本组成： 2）转速测量基本方法 定数采样 ：这种方法其实是测量单个脉冲的周期 或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法 又叫做 测周法 。 定时采样 。这种方法其实是测量单位时间的脉

3、冲 个数。这种测量脉冲的方法又叫做 测频法 。 频率 电压转换 (f/V) 频率 转速 N=f/分频数 4、转速传感器的选择原则 测量环境 价格 测量范围 可靠性 系统功耗 单位 r/min r/s 一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理 在半导体薄片中通 以电流 I,在与薄片垂直 方向加磁场 B， 则在半 导体薄片的另外两端 ， 产生一个大小与控制电 流 I和 B乘积成正比的电 动势 ， 这种现象称为霍 尔效应 。 该电势称为霍 尔电势 ， 该薄片称为霍 尔元件 。 1、霍尔效应 2、霍尔电势 UH KH I B 单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所 能输出的霍尔电势的大小。单位是 mV/（ m

4、AT） 意义： 与材料的物理性质和几何尺寸有关，决 定霍尔电势的强弱。 若磁感应强度 B的方向与霍尔元件的平面法线夹 角为 时，霍耳电势应为： VH KH I B cos 霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。 霍尔电压 UH为： IBKne dIBU HH 式中 n 半导体单位体 积中的载流子数 e 电子电量 KH 霍尔元件灵敏度 ， KH 1/ned 霍尔器件符号 H A B C D A B C D B A C D C、 D：霍耳输出端，称为 霍尔端 或输出端。 A、 B：电极端，称为元件 电流端 、控制电流端或 输入电流端。 红色 导线 红色 导线 绿色 导线 绿色 导线 一般为 4mm

5、 2mm 0.1mm 二材料及结构特点 霍尔元件一般采用具有 N型的锗、锑化铟和砷化 铟等半导体单晶材料制成。 1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。 2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。 3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温 度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。 采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用 。 特点 小结 材料：锗 、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟 灵敏度低、温度 特性及线性度好 灵敏度最高、 受温度影响大 输入 1 输入 2 输出 1 输出 2 磁性顶端 引线 衬底 霍尔元件 溅射工艺制作的 锑化铟霍尔元件 霍尔元件的主要特性参数：

6、 (1) 输入电阻和输出电阻 输入电阻： 控制电极间的电阻 输出电阻： 霍尔电极之间的电阻 (2) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流： 当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生 10 温升时，对应的控制电流值 最大允许控制电流： 以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值 (3) 不等位电势 Uo和不等位电阻 ro 不等位电势 ：当霍尔元件的控制电流为额定值时， 若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍 尔电势。 不等位电势是由霍尔电极 2和之间的电阻决定的， r 0称 不等位电阻 型号 材料 控制 电流 ( m A) 霍尔 电压 ( m V , 0. 1T ) 输入 电阻

7、 ( ) 输出 电阻 ( ) 灵敏度 ( m V/m A. T ) 不等 位电 势 ( m V) V H 温 度系 数 ( %/ ) E A218 I n As 100 8 . 5 3 1. 5 0.35 13 6.5 2.4 0.75 1 0.07 VHG - 1 10 GaAs 5 5 - 10 2 00 - 800 20 0 - 800 30 - 220 5 4 0 30 2.5 _ - 0.02 M F 07F Z Z I n S b 10 40 - 290 8 - 60 8 - 65 _ 10 - 2 M F 19F Z Z I n S b 10 80 - 600 8 - 60 8

8、- 65 _ 10 - 2 M H07 F Z Z I n S b 1V 80 - 120 80 - 400 80 - 430 _ 10 - 0.3 M H19 F Z Z I n S b 1V 1 50 - 250 80 - 400 80 - 430 _ 10 - 0.3 KH - 400A I n S b 5 2 50 - 550 2 40 - 550 50 - 110 50 - 1 1 00 10 开启阈值，高电平 VT导通，具有吸收电流的负载能力 磁场减弱： VH 减小，放大，整形： 关闭阈值， 翻转，低电平， VT截止 开状态 关状态 2、工作特性 ）（ TB 12 10 8 6 4

9、 2 0 ）（ VVOUT ON OFF OPBRPB HB 工作点“开” OPB 释放点“关” RPB 磁滞 HB 高 低，开状态 OPBB RPBB 低 高 ，关状态 3、接口电路 3020T 外形 V12 R OUTV 应用电路 CCV K CCV K CV CCV CV LR CCV CV LR 4、磁场施加方式 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 磁感应强度 ）（ 距离 mm L 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 L N S ）（ TB（ 1）磁铁轴心接近式 两轴心方向重合 2.5 5 7.5

10、 10 12.5 15 17.5 20 磁感应强度 ）（ 距离 mm L 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 ）（ TB L N S 25.0空隙 （ 2）磁铁侧向滑近式 两平面距离不变， 磁铁轴线与传感器 平面垂直 （ 3）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度 S 磁铁 磁力集中器 N 移动 传感器 0 2.5 5 7.5 10 )(mmL 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 ）（磁感应强度 TB 有磁力集中器 无磁力集中器 N S 传感器 磁铁 （低碳钢） 磁力集中器 倍1B S 传感器 磁铁 磁力集中器 m

11、m mm 8.06.0 2525 )( 软钢铁底盘 N %30B 六、霍尔线性集成传感器 1、结构及工作原理 输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系 构成：霍尔元件、放大器、稳压、 电流放大输出级、失调调整、线性度调整 ccV 稳压 单端输出： SL3501T 双端输出： SL3501M ccV 稳压 R 2、主要技术特性 -0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 )(VV OUT输出电压 5.6 4.6 3.6 2.6 1.6 )( TB磁感应强度 SL3501T 输出特性曲线 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 )(VV OUT输出电

12、压 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 )(TB磁感应强度 100R 0R 15R SL3501M 输出特性曲线 型号 电源电压 ( V ) 输出电压 ( V ) 灵敏度 ( m V / m A . T) 带宽 ( k H z ) 工作温度 ( ) SL 3 5 0 1 T 8 1 2 2 . 5 5 3500 - 7 0 0 0 25 0 - 7 0 SL 3 5 0 1 M 8 - 1 6 3 . 6 700 - 1 4 0 0 25 0 - 7 0 霍尔线性集成传感器的技术参数 七、霍尔传感器的应用 1、霍尔位移传感器 磁场梯度越大，灵敏度越高 磁场梯度越均匀，输出线性越好 测量

13、范围： 1 2 mm N N S SI x 磁钢 2、磁感应强度测量仪 A SL3501M ： 霍尔线性集成传感器 RP1：调整表头量程 RP2：调零 C1：低通滤波 测量上限： 0.3 T 3、直流功率测量仪 IKI C 1 IBKV HH PKIVKKK H 21 V VKB 2 4、转速测量 转角 HV 0 2 转角 HV 0 N S 霍尔元件 永磁体 被测轴 永磁体安装在轴端 NS 被测轴 霍尔元件 永磁体 永磁体安装在轴侧 5、测量电流 测量大直流电流（ 10kA）：电阻器分流 霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场 （ 1）导线旁测法 HV I B CI （ 2）导线贯穿磁芯法

14、I 霍尔元件 通电导线 导磁铁芯 简单、测量精度差、 受外界干扰大 环形铁芯集中磁力线， 提高电流测量精度 6、测量表面覆盖层厚度 铁磁性物质 非磁性涂层 MSL3501霍尔元件 型铁芯U永磁体 铁磁基体 覆盖层 磁回路 0 1 2 3 500 400 300 200 100 )(VUOUT ）（厚度 mm V5 V5 7、自动凭票供水装置 控制电路 锅炉 电磁阀 投牌口 水龙头 水瓶 收牌箱 磁铁 磁传感器 滑槽 霍尔式传感器的应用实例 霍尔转速测量 霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件 霍尔角位移测量 霍尔钳形电流表的使用 叉形 钳形表漏磁稍 大，但使用方便 用 钳形表测量 电动机的相电流 实

15、验探究 1 若闭合电路中有感应电流 ,电路中就一定有电动 势 . 演示实验并播放动画 画出等效电路图 实验探究 2： 在向线圈中插入条形磁铁的实验中， 磁铁的磁场越强、插入的速度越快， 产生的感应电流就越大。 实验 :电磁感应插磁铁 实验探究 3: 一 、 B l v dt dxBl dt de B：稳恒均匀磁场磁感应强度； L V：导体相对磁场运动速度。 导体在稳恒均匀磁场中运动 N匝线圈处于变化的磁场中 dt dNe 两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。 开磁路变磁通式 ： 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 。 N S 1、 变磁通

16、式 A A 闭磁路变磁通式： 感应电势的频率与被测转速成正比 。 2、 恒定磁通式 2、 恒定磁通式 lNBe 0 B0：工作气隙磁感应强度； l：每匝线圈平均长度； N：线圈在工作气隙磁场 v：相对运动速度 。 二 、 f o f o RR l NvB RR EI Rf：测量电路输入电阻； R：线圈等效电阻。 传感器的电流灵敏度为 f oo I RR lNB v IS E R 传 感 器 I o R f 输出电压和电压灵敏度分别为 f fo foo RR l N v RB RIU f foo U RR l N RB v US 为了保证传感器输出的线性度，要保证线 圈始终在均匀磁场内运动。 提

17、高灵敏度方法： 选用具有磁能积较大的永久磁铁； 尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通 密度 B； 增加 和 N，但它们受到体积和重量、 内电阻及工作频率等因素的限制。 三 、 磁电感应式传感器的测量电路 磁 电 式 传 感 器 量 程 选 择 前 置 放 大 积 分 电 路 微 分 电 路 主 放 大 器 显示 或 记录 S W 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。 四 、 磁电感应式传感器的应用 动圈式振动速度传感器 8 7 6 5 4 3 2 1 3 1、芯轴 2、外壳 3、弹簧片 4、铝支架 5、永久磁铁 6、线圈 7、阻尼环 8、引线