傳感器原理-速度傳感器磁電霍爾

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1、速 度 測(cè) 量 概 述1、 轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 中 主 要 考 慮 的 問 題1） 被 測(cè) 物 體 運(yùn) 動(dòng) 的 速 度 范 圍超 低 速 (0.10 2.00r/min)低 速 (0.5 500r/min)(20 20000r/min)高 速 (500 200000r/min)超 高 速 (500 600000r/min)全 速 (0.10 600000r/min) 適 用 的 測(cè) 速傳 感 器 較 多2） 被 測(cè) 物 體 可 測(cè) 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

2、 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(cè) 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磁 敏傳 感 器 測(cè) 量 范 圍 （ kHz） 感 應(yīng) 對(duì) 象 檢 測(cè) 距 離 （ mm） 應(yīng) 用 場(chǎng) 合磁 敏 傳 感 器 0 10 鐵 、 電 工 鋼 0.5 1.5 速 度 、 位 移磁 電 傳 感 器 50 5000 電 工 鋼 0.5 1 速 度霍 爾 傳 感 器 0 10 磁 鐵 1 5 速 度 、 位 移 光 電 傳

3、感 器 0 10 自 然 光 、 紅 外光 1 15 速 度 、 位 移接 近 開 關(guān) 0 200Hz 金 屬 1 5 速 度 、 位 移 3、 轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 電 路1） 轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 儀 的 基 本 組 成 ：2） 轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 基 本 方 法定 數(shù) 采 樣 ： 這 種 方 法 其 實(shí) 是 測(cè) 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(cè) 量 脈 沖 的 方 法又 叫 做 測(cè) 周 法 。 定 時(shí) 采 樣 。 這 種 方 法 其 實(shí) 是 測(cè) 量 單 位 時(shí) 間 的 脈 沖個(gè) 數(shù) 。 這 種 測(cè) 量 脈 沖 的 方 法 又 叫 做 測(cè) 頻 法 。

4、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(cè) 量 環(huán) 境 價(jià) 格 測(cè) 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(chǎng) 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(shì) ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 霍爾 效 應(yīng) 。 該 電 勢(shì) 稱 為 霍爾 電 勢(shì) ， 該 薄 片 稱 為

5、 霍爾 元 件 。 1、 霍 爾 效 應(yīng) 2、 霍 爾 電 勢(shì) 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(shì) 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(shì) 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(shì) 應(yīng) 為 ： V H 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 U

6、H為 ： IBKnedIBU HH 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， KH 1/ned 霍 爾 器 件 符 號(hào) HA BCD A BCDBA CDC、 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) 線綠 色導(dǎo) 線 一 般 為 4mm 2mm 0.1mm 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

7、 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) 輸 入 1 輸 入 2輸 出 1 輸 出 2磁 性 頂 端引 線襯

8、 底 霍 爾 元 件 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) 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(shì) Uo

9、和 不 等 位 電 阻 ro 不 等 位 電 勢(shì) ： 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(cè) 得 的 空 載 霍爾 電 勢(shì) 。 不 等 位 電 勢(shì) 是 由 霍 爾 電 極 2和 之 間 的 電 阻 決 定 的 ， r 0稱 不 等 位 電 阻 型 號(hào) 材 料 控 制 電 流(mA) 霍 爾 電 壓 (mV, 0.1T) 輸 入 電 阻 ( ) 輸 出 電 阻 ( ) 靈 敏 度(mV/mA.T) 不 等位 電勢(shì)(mV) VH 溫度 系數(shù) (%/ ) EA218 InAs 100 8.5 3 1.5 0.3

10、5 13 6.5 2.4 0.75 1 0.07 VHG-110 GaAs 5 5 -10 200-800 200-800 30-220 5 40 30 2.5 _ -0.02 MF07FZZ InSb 10 40-290 8-60 8-65 _ 10 -2 MF19FZZ InSb 10 80-600 8-60 8-65 _ 10 -2 MH07FZZ InSb 1V 80-120 80-400 80-430 _ 10 -0.3 MH19FZZ InSb 1V 150-250 80-400 80-430 _ 10 -0.3 KH-400A InSb 5 250-550 240-550 50-

11、110 50-1100 10 -0.3 EW LRI B HUBIIB IBkU HH 1WI HUE 2W ABI HU B V15 V15 1R3R 4R2R fR12 3 4 V15 V15 1R3R 4R2R12 3 4 IAB 0UC D 1R 3R4R2R ABC D 1R2R 4R 3RW ABC DIABC DW 1R 2R 4R 3RWABC DIABC DW 1R2R 4R 3RW ABC DIABC DW 霍 爾 效 應(yīng) 集 成 電 路 技 術(shù) 開 關(guān) 信 號(hào)磁 敏 傳 感 器 集 成 霍 爾 元 件 和 開 關(guān) 型 兩 大 類 可 分 為 線 性型 ccV1 穩(wěn) 壓 2

12、3地輸 出 VT霍 爾 元 件 放 大 整 形 ）（ TB）（ VVOUT ONOFF OPBRPB HBOPBRPB HB OPBB RPBB 3020T1 2 3 V122 3 k2R OUTV1 CCV2 31 K CCV2 31 KCV CCV2 31 CV LR CCV2 31 CVLR 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ）（ 距 離mmLLN S）（ TB磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ）（ 距 離mmL）（ TB LN S 25.0空 隙 S磁 鐵磁 力 集 中 器N 移 動(dòng)傳 感 器 )(mmL）（磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 TB 有 磁 力 集 中 器無 磁 力 集 中 器N S 傳 感 器磁 鐵 （ 低 碳

13、 鋼 ）磁 力 集 中 器倍1BS傳 感 器 磁 鐵磁 力 集 中 器 mmmm8.06.0 2525 )( 軟 鋼鐵 底 盤N %30B ccV OUTV穩(wěn) 壓 地1 2 3 ccV 輸 出穩(wěn) 壓 地3 4 18輸 出567 R )(VVOUT輸 出 電 壓 )(TB磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 )(VVOUT輸 出 電 壓 )(TB磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 100R0R 15R 型 號(hào) 電 源 電 壓(V) 輸 出 電 壓(V) 靈 敏 度(mV/mA.T) 帶 寬(kHz) 工 作 溫 度( ) SL3501T 8 12 2.5 5 3500 - 7000 25 0 - 70 SL3501M 8 - 1

14、6 3.6 700 - 1400 25 0 - 70 N NSSI x磁 鋼 3 411C MSL3501A 1RP 2RP1R 2R47 47 20k10 p1000uA100 S5678IKIC 1IBKV HH PKIVKKKH 21 VR LRBV IVKB 2 轉(zhuǎn) 角HV0 2 轉(zhuǎn) 角HV0 NS 霍 爾 元 件永 磁 體被 測(cè) 軸 NS 被 測(cè) 軸霍 爾 元 件永 磁 體 HVI BCII 霍 爾 元 件通 電 導(dǎo) 線導(dǎo) 磁 鐵 芯 鐵 磁 性 物 質(zhì) 非 磁 性 涂 層MSL3501霍 爾 元 件 型 鐵 芯U永 磁 體鐵 磁 基 體覆 蓋 層磁 回 路 )(VUOUT ）（厚

15、度 mm V5 OUTU12 3 V5MSL3501 控 制 電 路鍋 爐 電 磁 閥 投 牌 口水 龍 頭水 瓶收 牌 箱 磁 鐵磁 傳 感 器 滑 槽 霍 爾 式 傳 感 器 的 應(yīng) 用 實(shí) 例霍 爾 轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)） 霍 爾 元 件 霍 爾 角 位 移 測(cè)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(cè) 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(shì) . 演 示 實(shí) 驗(yàn) 并 播 放 動(dòng) 畫 畫 出 等 效 電 路 圖 實(shí) 驗(yàn) 探

16、 究 2：在 向 線 圈 中 插 入 條 形 磁 鐵 的 實(shí) 驗(yàn) 中 ，磁 鐵 的 磁 場(chǎng) 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 BlvdtdxBldtde B： 穩(wěn) 恒 均 勻 磁 場(chǎng) 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ；L： 導(dǎo) 體 有 效 長(zhǎng) 度 ； V： 導(dǎo) 體 相 對(duì) 磁 場(chǎng) 運(yùn) 動(dòng) 速 度 。 導(dǎo) 體 在 穩(wěn) 恒 均 勻 磁 場(chǎng) 中 運(yùn) 動(dòng)N匝 線 圈 處 于 變 化 的 磁 場(chǎng) 中 dtdNe 兩 種 磁 電 式 傳 感 器 結(jié) 構(gòu)

17、 ： 變 磁 通 式 和 恒 磁 通 式 。 開 磁 路 變 磁 通 式 ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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(cè) 量 高 轉(zhuǎn) 速 的 場(chǎng) 合 。 1、 變 磁 通 式 閉 磁 路 變 磁 通 式 ： 感 應(yīng) 電 勢(shì) 的 頻 率 與 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 成 正 比 。 2、 恒 定 磁 通 式 2、 恒 定 磁 通 式lNBe 0B0： 工 作 氣 隙 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ；l： 每 匝 線 圈 平 均 長(zhǎng) 度 ； N： 線 圈 在 工 作 氣 隙 磁 場(chǎng) 中 的 匝 數(shù) ； v： 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 速 度 。 二 、

18、磁 電 感 應(yīng) 式 傳 感 器 基 本 特 性 fofo RR lNvBRR EI Rf： 測(cè) 量 電 路 輸 入 電 阻 ；R： 線 圈 等 效 電 阻 。 傳 感 器 的 電 流 靈 敏 度 為 fooI RR lNBvIS 輸 出 電 壓 和 電 壓 靈 敏 度 分 別 為 f fofoo RRlNvRBRIU ffooU RRlNRBvUS 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(chǎng) 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(zhǎng) 度 ， 以

19、 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(cè) 量 電 路 磁電式 傳感器 量程選擇 前置放大 積分電路 微分電路 主放大器 顯示 或 記錄 SW 磁 電 式 傳 感 器 直 接 輸 出 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) ， 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(cè) 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