磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器,利用電磁感應原理將被測量(振動、位移、轉速)轉換成電信號的一種傳感器第7章磁電式傳感器7.1磁電感應式傳感器它不需輔助電源把被測的機械量轉成電信號,有源傳感器輸出功率大且性能穩定,工作帶寬(10～1000Hz),應用廣由電磁感應定律,w匝線圈在磁場內運動時,E＝-wdF/dt7.1.1磁電感應式傳感器工作原理兩種磁電傳感器:變磁通式和恒磁通式。1、變磁通式：也稱變磁阻式或變氣隙式圖a為開磁路變磁通式，每轉動一個齒,磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,感應電勢變化頻率等于被測轉速與測量齒輪齒數的乘積。圖b為閉磁路變磁通式.齒輪的相對轉動使氣隙磁阻產生周期性變化,引起磁通的變化,線圈產生周期變化的感生電動勢。這種傳感器結構簡單,輸出信號較小,不宜測量高轉速。感應電勢頻率與轉速成正比2、恒定磁通式磁路系統產生恒定直流磁場,磁路中工作氣隙固定不變,因而氣隙中磁通也是恒定不變的。運動部件可以是線圈（動圈式圖a）,運動部件可以是磁鐵（動鐵式圖b）工作原理是完全相同當振動頻率遠大于固有頻率時,運動部件不隨振動體振動,能量被彈簧吸收,磁鐵與線圈間的相對運動速度接近于振動速度,產生感應電勢為E=-B0lWv典型結構如圖主要原因:傳感器線圈有電流I流過時,產生交變磁通ΦI,疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上,使恒定的氣隙磁通變化如圖所示。1.非線性誤差傳感器線圈相對于磁鐵運動速度大時,產生較大感生電勢E和電流I產生的附加磁場與原工作磁場方向相反,減弱工作磁場作用,使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。當線圈的運動速度與圖示方向相反時,產生的附加磁場方向與工作磁場同向,從而增大了傳感器的靈敏度。線圈運動速度方向不同,傳感器的靈敏度具有不同的數值這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。傳感器靈敏度越高,線圈中電流越大,非線性越嚴重為補償上述干擾,在傳感器中加入補償線圈,如圖a。適當選擇補償線圈參數,使其產生的交變磁通與傳感線圈本身所產生的交變磁通互相抵消,從而達到補償的目的。溫度變化,誤差式中右邊三項不為零,對銅線每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2,對鋁鎳鈷永磁合金dB/B≈-0.02×10-2,可得近似值:γt≈(-4.5%)/10℃2.溫度誤差補償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負溫度系數的特殊磁性材料做成。當溫度升高時,熱磁分流器的磁導率顯著下降,分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低,保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化,維持傳感器靈敏度為常數。圖為用集成運算放大器組成的積分或微分測量電路。傳感器1231R223C1R1R4R5C2R3R3SST1T2-+-+U0傳感器1231R223C1R1C2R3SSU0左圖是動圈式振動速度傳感器結構示意圖7.1.4磁電感應式傳感器的應用1.動圈式振動速度傳感器工作時,傳感器外殼和永久磁鐵隨物體振動,芯軸、線圈和阻尼環因慣性而不振動。線圈切割磁力線產生正比于振動速度的感應電動勢,線圈的輸出通過引線輸出到測量電路，測量振動速度參數,。在測量電路中接入積分電路,則輸出電勢與位移成正比;在測量電路中接入微分電路,則其輸出與加速度成正比。2.磁電式扭矩傳感器左圖是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。用于電磁測量、壓力、加速度、振動等測量。7.2霍爾式傳感器1.霍爾效應7.2.1霍爾效應及霍爾元件-----++++hufefmBE在垂直于B的方向上放置一導電板,通電流I,方向如圖所示。電子受洛侖磁力fm作用，fm大小為：fm=eBv。使金屬導電板前面積累電子,而后面積累正電荷,從而形成了附加內電場EH,稱霍爾電場,EH=UH/b霍爾電場的出現,使定向運動的電子除受洛侖磁力作用外,還受霍爾電場的作用力,大小為eEH，阻止電荷繼續積累。當電子所受洛侖磁力與霍爾電場力大小相等、方向相反時,eEH=evB,即EH=vB,達到平衡狀態。金屬板單位體積內電子數為n,電子定向運動平均速度為v,則激勵電流I=nevbd,則v=I/bdne得EH=IB/bdneUH=IB/bne,令RH=1/(ne)稱為霍爾常數,KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。則UH=RHIB/d=KHIB霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度,靈敏度與霍爾常數RH成正比與厚度d成反比。霍爾元件常制成薄片形狀。霍爾片材料的要求,有較大的霍爾常數RH,激勵極間電阻R=ρL/bd,同時R=UI/I=EL/I=vL/(μnevbd),霍爾常數等于霍爾片材料電阻率與電子遷移率μ的乘積。則解得RH=μρ要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。金屬載流子遷移率高,電阻率小;而絕緣材料電阻率極高,載流子遷移率極低。故只有半導體材料適于制造霍爾片N型鍺容易加工制造,霍爾系數、溫度性能和線性度都較好N型硅的線性度最好,霍爾系數、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感,低溫溫度系數大,室溫霍爾系數較大砷化銦霍爾系數較小,溫度系數也較小,輸出特性線性度好霍爾元件的結構簡單,由霍爾片、引線和殼體組成,如圖a所示2.霍爾元件基本結構霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1′引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝而成。電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖b。b元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流3.霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流元件允許最大溫升對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流使用中選用盡可能大的激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使最大允許激勵電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻;霍爾電極輸出相當于電壓源，其內阻輸出電阻稱為電勢電阻值是在磁感應強度為零且環境溫度在20℃±5℃時確定的。3）不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為I時,元件所處位置磁感應強度為零時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。產生原因:①霍爾電極安裝不對稱或不在同一等電位面上②材料不均勻造成了電阻率不均勻或幾何尺寸不均勻③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。不等位電勢也可用不等位電阻表示r0=U0/IH不等位電勢是激勵電流流經不等位電阻r0所產生的電壓。4）寄生直流電勢：在外加磁場為零,霍爾元件用交流激勵時,霍爾電極輸出的直流電勢,稱寄生直流電勢。產生原因①電極接觸不良,形成非歐姆接觸,造成整流效果;②兩個霍爾電極大小不對稱,則兩個電極點的熱容不同,散熱狀態不同形成極向溫差電勢。寄生直流電勢一般在1mV以下,影響霍爾片溫漂的原因5）霍爾電勢溫度系數：在一定磁感應強度和激勵電流下,溫度每變化1℃時,霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數。它同時也是霍爾系數的溫度系數。霍爾元件的許多參數都具有較大的溫度系數。當溫度變化時,霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數都將發生變化,從而使霍爾元件產生溫度誤差。5.霍爾元件溫度補償減小霍爾元件溫度誤差,除用溫度系數小的元件或采用恒溫措施外,用恒流源供電是有效,可以使霍爾電勢穩定。減小輸入電阻隨溫度變化引起的激勵電流I變化帶來的影響霍爾元件的靈敏系數KH隨溫度變化引起霍爾電勢的變化。它與溫度的關系：KH=KH0（1+αΔT）多數霍爾元件的溫度系數α是正值,它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。同時讓激勵電流I相應地減小,保持KHI乘積不變,就抵消了靈敏系數KH增加的影響。在圖示電路中,初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數為KH1,分流電阻為Rp0,得電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯。左圖是按此設計的一個簡單、補償效果又較好的補償電路。RpUHISIpIH輸入電阻隨溫度升高而增加,旁路分流電阻Rp自動地加強分流,減少了霍爾元件激勵電流I,從而達到補償的目的。當溫度升至T時,電路中各參數變為Ri=Ri0(1+δΔT),Rp=Rp0(1+βΔT)則UH0=UH,KH0IH0B=KHIHB,溫度升高ΔT,補償電路須滿足溫升前、后霍爾電勢不變,當霍爾元件選定后,它的輸入電阻Ri0和溫度系數δ及霍爾電勢溫度系數α是確定值。則:KH0IH0=KHIH略去αβ(ΔT)2得:計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數β值。為了滿足R0及β兩個條件,分流電阻可取溫度系數不同的