第六章磁电式传感器共29页文档

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1、第六章磁电式传感器6.1磁电感应式传感器，6.2霍尔式传感器第一节磁电感应式传感器a磁电感应式传感器有时又简称为磁电传感 器，是利用电磁感应原理将被测量（如振 动、位移、转速等）转换成电信号的一种 传感器。-它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有源传感 器。-由于它输岀功率大且性能稳定，具有一定 ； 的工作带宽（101000Hz）,所以得到普 遍应用。、磁电感应式传感器工作原理1.电磁感应定律根据电磁感应定律：无论任何原因是通过回路面积的磁通量 发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变 化率的负值成正比。2.电磁感应定律的应用(1)线圈在恒定磁场中作直线

2、运动线圈两端的感应电动势e为：当&=90。时，上式可写成:(2)线圈在恒定磁场中作旋转运动线圈两端的感应电动势为：董F乞I茂n当尸90。时，上式可写成：3旋转运动角速度；S线圈的截面积；Y线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。.由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系，因此 只要适当加人积分、微分电路，便能通过测量感应电动势 得到位口加速度。二、磁电感应式传感器的结构变磁通式磁电传感器2.恒磁通式磁电传感器工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于工 作气隙中的线圈与磁钢之间作相对运动，线圈切割磁力线产生 的。其值与相对运动速度成正比。 （a）动圈式；（b）动铁式恒磁通式磁电传感

3、器结构由永久磁铁、线圈、弹簧、 金属骨架等组成。 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。其运动部件可以是线 圈（动圈式），也可以是磁 铁（动铁式）,动圈式和动 铁式的工作原理是完全相同 的。三、磁电感应式传感器的特性1.磁电式传感器的基本特性-(1)电流输出特性传感器的电流灵敏度为：(2)电压输出特性传感器的输岀电压为：bqlwSi V R+Rf传感器的电压灵敏度为：=5 =耳3孚 u v R+Rf磁电传感器的输出电流I。为：2.磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器测量电路方框图四、磁电感应式传感器的应用1. 磁电式转速传感器(1)磁电式

4、转速传感器的结构L根据磁路形式，可分为开磁路式和闭磁路式。4峽根据形成磁场的方式，分为永磁型和励磁型两种 结构类型 根据极靴的结构形式又可分为单极型、双极型和 齿型三种结构类型。根据安装形式，又可分为分离式和整体式。(2)磁电式转速传感器M国产SZMB-3型磁电式转速传感器使用时，该传感器通过 联轴节与被测轴连接，当转轴旋转时将角位移转换成电脉 冲信号，供二次仪表使用。该传感器每转输岀60个脉冲， 输出信号幅值大于或等于300mV(50r / rain时)，测速范围 为 50 5000r/mino国产SZMB-5型磁电式转速传感器使用时，该传感器输出 信号的波形为近似正弦波，幅值与SZMB3型

5、相同。工作 时，信号幅值大小与转速成正比，与铁心和齿顶间隙的大 小成反比。被测齿轮的模数m=2,齿数z=60,传感器铁 心和被测齿顶间隙0.5mm,测量范围为505000r/ min。(3)磁电式转速传感器的计算 -若设齿轮齿数为Z,转速为n (r/min),则有：或：T感应电动势周期；f_感应电动势频率。黔II罄2. 动圈式振动速度传感器1限幅器；2壳体；3弹簧片；4芯轴；5磁钢；6线圈；7阻尼环；8输出线若在测量电路中接入积-I玉该传感器测量的是振动速度参数，分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接入 微分电路，则其输出与加速度成正比。3.磁电式扭矩传感器时,传感器的检测元件部分由

6、永久磁场、感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转 盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生 变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数 与转数乘积。第二节霍尔式传感器圏霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料 中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍 尔效应太弱而没有得到应用。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 而得到应用和发展。:霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加 速度、振动等方面的测量。一、霍尔效应及其参数1.霍尔效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场

7、垂 苴，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差， 这种现象称为霍耳效应。bXFl的方向在图中是向上 的，此时电子除了沿电 流反方向作定向运动外, 还在FL的作用下向上漂 移，结果使导电体上底 面积累电子，而下底面 积累正电荷，从而形成 了附加内电场EH,此内 电场称为霍尔电场(a)霍耳效应；(b)霍耳元件结构；(c)图形符号；(d)外形图67霍耳效应与霍耳元件霍尔电压RH为霍尔常数KH称为霍尔片的灵敏度a Clliekh二弘H d霍尔常数的意义： 霍尔电势UH的大小正比于激励电流I和磁感应强度B的乘积。 霍尔元件的灵敏度KH是表征在单位磁感应强度和单位控制电流 时输出霍尔电压大小的重要

8、参数。 霍尔元件的灵敏度KH与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成 反比。所以，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 当控制电流方向或磁场方向改变时，输岀电动势方向也将改变。J 一般金属材料载:流子迁移率很高但电阻率很小；而绝缘jft料电阻率极高丿但载流子迁移率极低。妙有半导体榊适于制造影际1目前常用榔尔元件材馮亀焦碑化餌翱化嗨二、霍尔元件及其传感器1.霍尔元件基本结构(a)外形结构示意图；(b)图形符号 霍尔元件2.常用的霍尔传感器(1)霍尔开关集成传感器* 原理：利用霍尔效应与集成电路技术制成的一种磁敏传感器， 它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输 出。 一 .特点：具

9、有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换 抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。常见型号：UGN-3020, UGN-3030, UGN-30751 n VCC3 .霍尔元件敵大 整形稳压-适用情况：点火系统、保安系统、转速测量、里程测量、机 械设备限位开关、按钮开关、电流的测量和控制、位置及角 度的检测(2)霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器的输岀电压与外加磁场强度呈线性比 例关系。. * -.结构：霍尔元件和放大器组成】 型号：SL3501T和SL3501M两种-适用情况：位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流 等的测量和控制。输入输出3）地(a)单端输出型;(b)双端

10、输出型 霍尔线性集成传感器的电路结构三、霍尔式传感器的应用按被检测的对象的性质可分为直接应用和间接应用 两种：:洛直接应用：直接检测出受检测对象本身的磁场或 磁特性（如：高斯计等）。间接应用：检测受检对象上人为设置的磁场，用 这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许 多非电、非磁的物理量例如力、位移、速度以及 工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行 检测和控制。1.霍尔式微位移传感器A图（a）是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置，霍尔元件处在 两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔 电势UH也等于零，此时位移Ax=Oo若霍尔元件在两磁铁中产生相对

11、位移，霍 尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时UH不为零，其量值大小反映出 霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量，这种结构的传感器，其动态范围可 达5mm,分辨索为0.001mm。，B图（b）所示是种结构简单的霍尔位移传感器，由一块永久磁铁组成磁路的 传感器，在Zkx=0时，霍尔电压不等于零。图（c）是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器，为了获得较 好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调整好初始位置时，可以使 亠霍尔电压UH=0o!这种传感器灵敏度很高，但它所能检测的位移量较小，适合于微位移量及振 动餡和!凰2.霍尔计数装置钢球-霍尔开关传感器SL3501.是具有较高灵敏度

12、的集成霍尔元件， 能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件进行计数 检测。绝缘板SL3O51/?4 470 k -d470Ilk计 数 器Vy2N5812G 22u R 山ThpfCZh&10kNJ=/霍尔开关传感器yS(b)霍尔计数装置的工作原理及电路图3. 霍尔式转速传感器原理：检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速几种不同结构的霍尔式转速传感器2.93.4.5.6.78.作业与思考题1.说明磁电式传感器的基本工作原理试通过转速测量系统的实例说明磁电式转速传感器的应用。磁电式振动传感器与磁电式转速传感器在工作原理上有什么区别？ 采用SZMB-3型磁电式传感器测量转速，当传感器输出频率为lKhZ的 正弦波信号时，被测轴的转速是多少？磁电式传感器能否检测表面粗糙度？试绘岀其原理图。请写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。匚为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系？：写岀你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。.设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。要求画出磁路系统示意 图和电路原理简图，并简要说明其工作原理。10谢谢你的阅读知识就是财富:丰富你的人生