传感器原理与应用复习--磁电式与霍尔传感器

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传感器原理与应用复习–电容式与压电式传感器

磁电感应传感器

工作原理

导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，产生的感应电势为
$$e=Blv$$

通过将被测量转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源是一种有源传感器，根据磁通量的变化进行测量
分为变磁通式和恒磁通式

1. 变磁通式传感器
   
   磁铁不进行运动v, 而是通过改变磁通量B来产生感应电流
   不能测量转速过快的情况
2. 恒磁通式传感器
   
   磁通量不发生改变，通过改变v，来改变进行切割磁感性运动
   分为(a)运动线圈型和(b)运动磁铁型

应用

1. 测量振动速度
   当物体振动是传感器外壳和永久磁铁随之震动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之震动，因此通过空气隙中的线圈切割磁力线从而产生感应电动势
   

2. 测扭矩
   在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，他们旁边装有相应的两个磁电传感器，通过齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，引起磁通量的变化，在线圈中感应出交流电压，两者之间的相位差，从而测得对应的扭矩。

   

霍尔传感器

工作原理

1. 霍尔效应
   置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直与电流和磁场方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应

   
   优点：结构简单，体积小，无触点，可靠性高，使用寿命长，频率响应宽，易于集成电路化和微型化的特点

   平衡条件
   $$e{E}_H=eBv$$
   电场力与磁场力相同
   通过加上电压表就可以测量磁场的变化

   霍尔片灵敏度 $$K_H=\frac{R_H}{d}$$
   $R_H=\frac{1}{ne}$称为霍尔常数, 通常选择后固定
   而当达到平衡状态时，测得的霍尔电动势为
   $$U_H=K_{H}IB$$
   霍尔电动势正比与激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数 $R_H$ 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

2. 霍尔元件
   结构简单，它由霍尔片、四根引线和壳体组成，他是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线，1和$1^{\prime }$ 通激励电压或电流称为激励电极，在2 和 $2^{\prime }$进行测霍尔电压，称为霍尔电极
   

基本特性

1. 霍尔器件的温度补偿
   霍尔元件采用半导体材料制成，因此它的许多参数都具有较大的温度系数，当温度发生变化时，霍尔元件载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而产生温度误差
   
   通过保持$K_H\ast I$的乘积不变，可以抵消灵敏系数 $K_H$的影响。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻 $R_p$自动地增加分流，减小霍尔元件激励电流 $I_H$，从而达到补偿的作用

2. 不等位电势
   当霍尔元件的激励电流为 $I$ 时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电动势应该为零，但实际不为零，则此时测得的霍尔电势称为不等位电势
   原因是安装位置不对称、半导体材料不均匀造成了电阻率的不均匀或激励电极接触不良
   
   通过将两边加上电阻使两边分别总电阻相等，进行修正

应用

1. 测量微小位移
   
   当霍尔元件发生微小位移时其上面的磁场发生变化，从而影响霍尔电动势

2. 测量转速
   
   在转盘上增加磁铁，通过磁铁的运动磁通量发生变化进行测量

3. 进行计数
   
   钢球经过一次对应磁场进行变化一次

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