磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量原理分析

轉(zhuǎn)速傳感器是將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器，其常用類型有:光電式、電渦流式、磁阻式、霍爾式、電容式、接近開關(guān)式等。而磁阻式、電渦流式以及霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器都是以電磁感應(yīng)為基本原理來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量，均屬于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，如電力、汽車、航空、紡織和石化等領(lǐng)域，用來測量和監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速參量，并以此來實(shí)現(xiàn)自動化管理和控制。因此，建立科學(xué)可靠的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)方法成為計量工作的一項(xiàng)迫切要求。本文對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量原理進(jìn)行了闡述。

源或無源型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，其測量方式均為非接觸式。磁阻式、電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)測量對象為帶有凸起或凹陷的磁性材料及導(dǎo)磁材料的被測物體，其工作原理如圖1(a)所示，前者基于磁阻效應(yīng)，后者基于電渦流效應(yīng)。當(dāng)測速輪旋轉(zhuǎn)時，齒輪與傳感器之間的間隙產(chǎn)生周期性變化，磁通量也會以同樣的周期變化，從而傳感器感應(yīng)出周期變化的脈沖信號。霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器需在旋轉(zhuǎn)物體上安裝磁體，用以改變傳感器周圍的磁場，這樣傳感器才能準(zhǔn)確捕捉被測物體的運(yùn)動狀態(tài)，其工作原理如圖1(b)所示，當(dāng)傳感器通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應(yīng)元件時產(chǎn)生霍爾電勢并將其轉(zhuǎn)換為交變電信號，由傳感器內(nèi)置電路將信號調(diào)整和放大并輸出脈沖信號。

隨著被測物體的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)速度相對應(yīng)的脈沖信號(近似正弦波或矩形波)，通過計數(shù)儀表顯示測量的轉(zhuǎn)速值。

1、霍爾式傳感器

(1) 霍爾傳感器的特點(diǎn)

??????霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍大（輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1）、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。

(2) 霍爾傳感器原理

??????金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

? ? ? ? ?霍爾效應(yīng)原理

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?	霍爾電勢可用下式表示:

霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對物理量的檢測，按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。

(3) 霍爾傳感器的應(yīng)用

維持I、q 不變，則EH=f（B），這方面的應(yīng)用有測量磁場強(qiáng)度的高斯計、測量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測量原理的霍爾式加速度計、微壓力計等;

維持I、B不變，則EH=f（q），這方面的應(yīng)用有角位移測量儀等。
??????維持q 不變，則EH=f（IB），即傳感器的輸出EH與I、B的乘積成正比，這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾式功率計等。

(4) 霍爾傳感器的選用注意事項(xiàng)

????? 1．磁場測量。如果要求被測磁場精度較高，如優(yōu)于±0.5％，那么通常選用砷化鎵霍爾元件，其靈敏度高，約為5—10mv/100mT.溫度誤差可 忽略不計，且材料性能好，可以做的體積較小。在被測磁場精度較低，體積要求不高。如精度低于±0.5％時，最好選用硅和鍺雹爾元件

????? 2．電流測量。大部分霍爾元件可以用于電流測量，要求精度較高時．選用砷化鎵霍爾元件，精度不高時，可選用砷化鎵、硅、鍺等霍爾元件。

????? 3．轉(zhuǎn)速和脈沖測量。測量轉(zhuǎn)速和脈沖時，通常是選用集成霍爾開關(guān)和銻化銦霍爾元件。如在錄像機(jī)和攝像機(jī)中采用了銻銦霍爾元件替代電機(jī)的電刷，提高了使用壽命。

????? 4．信號的運(yùn)算和測量。通常利用霍爾電勢與控制電流、被測磁場成正比，并與被測磁場同霍爾元件表面的夾角成正弦關(guān)系的特性，制造函數(shù)發(fā)生器。利用霍爾元件輸出與控制電流和被測磁場乘積成正比的特性。制造功率表、電度表等。

????? 5．拉力和壓力測量。選用霍爾件制成的傳感器較其它材料制成的陣感器靈敏度和線性度更佳。

2、磁阻效應(yīng)傳感器

??????磁阻元件類似霍爾元件，但它的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)(或稱高斯效應(yīng))。磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別在于感應(yīng)電動勢相對于電流的方向，霍爾電勢是垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。

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? 上圖是一種測量位移的磁阻效應(yīng)傳感器。將磁阻元件置于磁場中，當(dāng)它相對于磁場發(fā)生位移時，元件內(nèi)阻R1、R2發(fā)生變化，如果將它們接于電橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。

??????磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。

??????磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁場等參數(shù)的測量。

編輯：黃飛
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