傳感器原理-速度傳感器(磁電霍爾)

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1、速度測量概述 1、轉(zhuǎn)速測量中主要考慮的問題 1）被測物體運(yùn)動(dòng)的速度范圍 高速(5OO~2OOOOOr/min) 超高速(500~600000r/min) 全速(0.10~600000r/mir)) 適用的測速 傳感器較多 超低速（0.10~2.00r/min） 低速（0.5~500r/min） 2）被測物體可測點(diǎn)幾何形狀 帶銷、微型電機(jī) 例：光軸、齒輪、葉片、帶孔、帶槽、 3）壞境條件 4）動(dòng)態(tài)/靜態(tài)時(shí)的顯示、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

2、光電 3霍爾 4磁敏 傳感器 測量范圍(kHz) 感應(yīng)對象 檢測距離(mm) 應(yīng)用場合 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 光電傳感器 0?10 自然光、紅外 1?15 速度、位移 光 接近開關(guān) 0-200HZ 金屬 1?5 速度、位移 3、轉(zhuǎn)速測量電路 1）轉(zhuǎn)速測量儀的基木組成:

3、 頻率T轉(zhuǎn)速 N=f/分頻數(shù) 單位r/min r/s 4、轉(zhuǎn)速傳感器的選擇原則 定數(shù)釆樣：這種方法其實(shí)是測量單個(gè)脈沖的周期 或指能個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法 又叫做測周法。 定時(shí)釆樣。這種方法其實(shí)是測量單位時(shí)間的脈沖 個(gè)數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做測頻法。 ① 測量環(huán)境 ④價(jià)格 ② 測量范圍 ⑤可靠性 系統(tǒng)功耗 \霍爾效應(yīng)和霍爾元件的工作原理☆ 1、霍爾效應(yīng) 在半導(dǎo)體薄片中通 以電流I,在與薄片垂直 方向加磁場B,則在半 導(dǎo)體薄片的另外兩端， 盤生一個(gè)大小與控渝電 流I和B乘積成正比的電 動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為霍 爾效應(yīng)。該電勢稱為霍 爾電勢

4、，該薄片稱為霍 爾元件。  2、霍爾電勢 單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用時(shí)，所 能輸出的霍爾電勢的大小。單位是mV/ (inA-T) 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 意義：與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，決 定霍爾電勢的強(qiáng)弱。 霍耳器件薄膜化是提高靈敏度的一個(gè)途徑。 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e時(shí)，霍耳電勢應(yīng)為： K = K“IB co

5、s" 霍爾器件符號 般為 4 mmX2mmX0. 1mm C綠色 導(dǎo)線 輸入電流端。 C、D：霍耳輸出端，稱為 或輸出端。 二.材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 霍爾元件一般采用具有N型的錯(cuò)、磔化錮和碑化 鋼等半導(dǎo)體單晶材料制成。 Aigg 1 ?僦化鋼元件的輸出較大，但受溫度的影響也較大。 2儲(chǔ)元件的輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。 3?碑化鋼元件的輸出信號沒有錚化鋼元件大，但是受溫 度的影響卻比僦化鋼的要小，而且線性度也較

6、好。 采用碑化鋼為霍爾元件的材料得到普遍應(yīng)用 材料：錯(cuò)/硅、碑化彖 碑化鋼、舖化錮/ 霍爾元件的主要特性參數(shù): ? (1)輸入電阻和輸岀電阻 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10C溫升時(shí)，對應(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 應(yīng)的控制電流值 (3)不等位電勢q和不等位電阻廠。 ?不等位電勢：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，測得的空載霍 爾電勢。 ?不等位電勢是由霍爾電極2

7、和之間的電阻決定的, r 稱不等位電阻 0 2 2* 霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo) 型號 材料 控制 電流 (mA) 電壓 (mV, D.1T) 輸入 電阻 (Q) 輸出 電阻 (Q) 靈敏度 (mV/m A.T) 篇?jiǎng)?mV) 溫系沏 VH度姒丿 EA218 InAs 100 >8.5 3 1.5 > 0.35 <0.5 0.1 FA24 InAsP 100 > 13 6.5 2.4 >0.75 <1 0.07 VHG-110 GaAs 5 5 -10 200-800 200-800 30-220 5的

8、 20% -0.05 AG1 Ge 20max > 5 40 30 >2.5 -0.02 MF07FZZ InSb 10 40-290 8-60 8-65 土 10 -2 MF19FZZ InSb 10 80-600 8-60 8-65 -- 10 -2 MH07FZZ InSb IV 80-120 80-400 80-430 10 -0.3 MH19FZZ InSb IV 150-250 80-400 80-430 土 10 -0. 3 KH-400A InSb 5 250-550

9、240-550 50-110 50-1100 10 <-0.3  特點(diǎn): (1)測量磁物理量、電量及其它物理量 (2) 實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，構(gòu)成各種非線性運(yùn)算部件 (3)輸出信號的信噪比大 (4)頻率范圍寬：直流~數(shù)百千赫茲 (5) 體積小、重量輕 (6) 穩(wěn)定性好*壽命長 四、霍爾元件連接方式和輸出電路 1、基本測量電路 UhJhIB 0C IB QC I cc B 2、霍爾元件連接方式 直流供電方式: 控制電流端并聯(lián) 輸出電勢為：2倍 X 交流供電方式: 控制電流端串聯(lián) 次級繞阻疊加輸出

10、 X 3、霍爾電勢的輸出電路 四端器件 輸出電勢：mV量級 線性應(yīng)用：比例放大器 線性度好、低噪聲放大器 p+15V Ri T-15V 工 Ri Ri Ri 1 + 15V ― — Ri I— I-15V 開關(guān)應(yīng)用：射極跟隨器 靈敏度高：一般放大器 五,II久元件的測量誤差及補(bǔ)償方法 半導(dǎo)體固有特性 溫度誤差 半導(dǎo)體制造工藝缺陷零位誤差 1、零位誤差及補(bǔ)償 A、B同一等位面：Uo = O＞電橋平

11、衡 A、B非同一等位面：Uo#O、電橋不平衡 電橋補(bǔ)償原理：在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻 wt / cy c ? 廠 J 、 1 F-1~ w Z-Z??4 m r/ I 4-Z c ? x c h4 L w I o R號 "? / ^\^3 o Z7r^ w』 集成霍爾元件 可分為線

12、性 和開關(guān)型兩大類  1、結(jié)構(gòu)及工作原理 材料：硅 工藝: 硅平面工藝 提高靈敏度 N型硅外延層很薄 集成工藝 有磁場：VH,放大, 工作原理: 整形： > 開啟閾值，高電平 VT導(dǎo)通，具有吸收電流的負(fù)載能力 磁場減弱：Vh減小，放大，整形：v關(guān)閉閾值, 翻轉(zhuǎn)，低電平，VT截止 2、工作特性 B > Bop高T低，開狀態(tài) B

13、 0 III 1 1 ..B(D Bri Bh Bop 3、接口電路 應(yīng)用電路 外形 o Vcc o Vcc Vc P oVcc oVcc Rl T Rl o Vcc — Rl 4、磁場施加方式 (1)磁鐵軸心接近式 兩軸心方向

14、重合  (2)磁鐵側(cè)向滑近式 兩平面距離不變， 磁鐵軸線與傳感器 平面垂直 （3）采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度 S 處30兔 方I霍爾線性集成傳感器 1、結(jié)構(gòu)及工作原理 輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系 構(gòu)成：霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓、 電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整、線性度調(diào)整 單端輸出：SL3501T 雙端輸出：SL3501M  2、主要技術(shù)

15、特性 SL3501T輸出特性曲線 SL3501M輸出特性曲線 霍爾線性集成傳感器的技術(shù)參數(shù) 型號 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 8-16 3.6 700- 1400 25 0-70  匕 霍久傳感器的應(yīng)用 1、霍爾位移傳感器 磁場梯度越大，靈敏度越高 、 磁場梯度越均勻，輸出線性越好 測量范圍：1?2 mm 2、磁感應(yīng)強(qiáng)度測量儀 RPi l R

16、P2 SL3501M : 霍爾線性集成傳感器 Ci SL3501M 調(diào)整表頭量程 調(diào)零 低通濾波 3、直流功率測量儀 Ic = K\?I B = KuV Vh = KhIB = KhKxKiIV=KP 測量上限：0.3 T 4、轉(zhuǎn)速測量 永磁體安裝在軸端 永磁體安裝在軸側(cè)

17、 5、測量電流 測量大直流電流（10kA）：電阻器分流 霍爾元件測量電流：檢測通電導(dǎo)線周圍的磁場  6、測量表面覆蓋層厚度 非磁性涂層 -5V 私350： 5K 7、自動(dòng)憑票供水裝置 霍爾式傳感器的應(yīng)用

18、實(shí)例 磁力線 霍爾轉(zhuǎn)速測量 (Ae-d direction (fie-d direction ->J -> Mb Mb HZE OfTSCT OfTSCT B3 MAX MAX ^csto 0F.-n KmQCX 0^35 KmQCX OFPser SRX SRX MAX MAX ?i ?i MFLOAUSS METER MFLOAUSS METER 關(guān)為菇駕酋it (刖駕it)

19、 U-KBIsinQ 霍爾一角位移測量 表的使用 ■ 用 電動(dòng) HI / 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. ?演示實(shí)驗(yàn)并播放動(dòng)畫 ?畫出等效電路圖 實(shí)驗(yàn)探究2 ■ 在向線圈中插入條形磁鐵的實(shí)驗(yàn)中, 磁鐵的磁場越強(qiáng)、插入的速度越快, 矜生的感血電流就越大。 ?實(shí)驗(yàn):電磁感應(yīng)插磁

20、鐵 實(shí)驗(yàn)探究3: -、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理 導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中運(yùn)動(dòng) 穩(wěn)恒均勻磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度; L：導(dǎo)體有效長度； V：導(dǎo)體相對磁場運(yùn)動(dòng)速度。 N匝線圈處于變化的磁場中 兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式?！? 1、變磁通式 高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 變鐵通感應(yīng)式 2、恒定磁通式 閉磁路變磁通式: 2、恒定磁通式 動(dòng)趾彎需針乍原理 動(dòng)騒式瞽翳譬工作原理 2、恒定磁通式 2 ■??????■?N ■?第■ ■ ■??_ ?■?■■?■?■幌.■???

21、?■?■ 動(dòng)鐵式磁IL1感傳感器 金詼刃架2 fOVM 3線圈4永久逼鐵5光悴 Bo：工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度; /:每匝線圈平均長度； N：線圈在工作氣隙磁場 中的匝數(shù)； V：相對運(yùn)動(dòng)速度。 1、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性 心測量電路輸入電阻; R：線圈等效電阻。 傳感器的電流靈敏度為 R+Rf 輸出電壓和電壓靈敏度分別為 提高靈敏度方法: 選用具有磁能積較大的永久磁鐵； 盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通 密度 為了保證4專感器W出的線性歧,要保證線 圈始終在均勻磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 1、磁電感應(yīng)式傳感器的測量電路 微分刪 域大器 r 11 傳感器通常具有較高的靈敏省，不需要高增 滋電式傳感 J *2hH1 :ilul 應(yīng)電 1 & Magi 益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器， 若要獲取被測位移或加速度信號，則需要配 用積分或微分電路O 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