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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) 中高速 (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：

2、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?jī)x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

3、沖 個(gè)數(shù)。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做 測(cè)頻法 。 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/（ m

4、AT） 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： VH 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 UH為： IBKne dIBU 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) H A B C D A B C D B A C D C、 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

5、 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) 材料：鍺 、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦 靈敏度低、溫度 特性及線性度好 靈敏度最高、 受溫度影響大 輸入 1 輸入 2 輸出 1 輸出 2 磁性頂端 引線 襯底 霍爾元件 濺射工藝制作的 銻化銦霍爾元件 霍爾元件的主要特性參數(shù)：

6、 (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 ( m A) 霍爾 電壓 ( m V , 0. 1T ) 輸入 電阻

7、 ( ) 輸出 電阻 ( ) 靈敏度 ( m V/m A. T ) 不等 位電 勢(shì) ( m V) V H 溫 度系 數(shù) ( %/ ) E A218 I n As 100 8 . 5 3 1. 5 0.35 13 6.5 2.4 0.75 1 0.07 VHG - 1 10 GaAs 5 5 - 10 2 00 - 800 20 0 - 800 30 - 220 5 4 0 30 2.5 _ - 0.02 M F 07F Z Z I n S b 10 40 - 290 8 - 60 8 - 65 _ 10 - 2 M F 19F Z Z I n S b 10 80 - 600 8 - 60 8

8、- 65 _ 10 - 2 M H07 F Z Z I n S b 1V 80 - 120 80 - 400 80 - 430 _ 10 - 0.3 M H19 F Z Z I n S b 1V 1 50 - 250 80 - 400 80 - 430 _ 10 - 0.3 KH - 400A I n S b 5 2 50 - 550 2 40 - 550 50 - 110 50 - 1 1 00 10 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(chǎng)減弱： VH 減小，放大，整形： 關(guān)閉閾值， 翻轉(zhuǎn)，低電平， VT截止 開狀態(tài) 關(guān)狀態(tài) 2、工作特性 ）（ TB 12 10 8 6 4

9、 2 0 ）（ VVOUT ON OFF OPBRPB HB 工作點(diǎn)“開” OPB 釋放點(diǎn)“關(guān)” RPB 磁滯 HB 高 低，開狀態(tài) OPBB RPBB 低 高 ，關(guān)狀態(tài) 3、接口電路 3020T 外形 V12 R OUTV 應(yīng)用電路 CCV K CCV K CV CCV CV LR CCV CV LR 4、磁場(chǎng)施加方式 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 磁感應(yīng)強(qiáng)度 ）（ 距離 mm L 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 L N S ）（ TB（ 1）磁鐵軸心接近式 兩軸心方向重合 2.5 5 7.5

10、 10 12.5 15 17.5 20 磁感應(yīng)強(qiáng)度 ）（ 距離 mm L 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 ）（ TB L N S 25.0空隙 （ 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 磁鐵 磁力集中器 N 移動(dòng) 傳感器 0 2.5 5 7.5 10 )(mmL 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 ）（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 （低碳鋼） 磁力集中器 倍1B S 傳感器 磁鐵 磁力集中器 m

11、m mm 8.06.0 2525 )( 軟鋼鐵底盤 N %30B 六、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(chǎng)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(jí)、失調(diào)調(diào)整、線性度調(diào)整 ccV 穩(wěn)壓 單端輸出： SL3501T 雙端輸出： SL3501M ccV 穩(wěn)壓 R 2、主要技術(shù)特性 -0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 )(VV OUT輸出電壓 5.6 4.6 3.6 2.6 1.6 )( TB磁感應(yīng)強(qiáng)度 SL3501T 輸出特性曲線 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 )(VV OUT輸出電

12、壓 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 )(TB磁感應(yīng)強(qiáng)度 100R 0R 15R SL3501M 輸出特性曲線 型號(hào) 電源電壓 ( V ) 輸出電壓 ( V ) 靈敏度 ( m V / m A . T) 帶寬 ( k H z ) 工作溫度 ( ) SL 3 5 0 1 T 8 1 2 2 . 5 5 3500 - 7 0 0 0 25 0 - 7 0 SL 3 5 0 1 M 8 - 1 6 3 . 6 700 - 1 4 0 0 25 0 - 7 0 霍爾線性集成傳感器的技術(shù)參數(shù) 七、霍爾傳感器的應(yīng)用 1、霍爾位移傳感器 磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高 磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性越好 測(cè)量

13、范圍： 1 2 mm N N S SI x 磁鋼 2、磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x A SL3501M ： 霍爾線性集成傳感器 RP1：調(diào)整表頭量程 RP2：調(diào)零 C1：低通濾波 測(cè)量上限： 0.3 T 3、直流功率測(cè)量?jī)x IKI C 1 IBKV HH PKIVKKK H 21 V VKB 2 4、轉(zhuǎn)速測(cè)量 轉(zhuǎn)角 HV 0 2 轉(zhuǎn)角 HV 0 N S 霍爾元件 永磁體 被測(cè)軸 永磁體安裝在軸端 NS 被測(cè)軸 霍爾元件 永磁體 永磁體安裝在軸側(cè) 5、測(cè)量電流 測(cè)量大直流電流（ 10kA）：電阻器分流 霍爾元件測(cè)量電流：檢測(cè)通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng) （ 1）導(dǎo)線旁測(cè)法 HV I B CI （ 2）導(dǎo)線貫穿磁芯法

14、I 霍爾元件 通電導(dǎo)線 導(dǎo)磁鐵芯 簡(jiǎn)單、測(cè)量精度差、 受外界干擾大 環(huán)形鐵芯集中磁力線， 提高電流測(cè)量精度 6、測(cè)量表面覆蓋層厚度 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 0 1 2 3 500 400 300 200 100 )(VUOUT ）（厚度 mm V5 V5 7、自動(dòng)憑票供水裝置 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)

15、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 、 B l v dt dxBl dt de B：穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度； L 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 dt dNe 兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：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 。 N S 1、 變磁通

16、式 A A 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 0 B0：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) v：相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 。 二 、 f o f o RR l NvB RR 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 f oo I RR lNB v IS E R 傳 感 器 I o R f 輸出電壓和電壓靈敏度分別為 f fo foo RR l N v RB RIU f foo U RR l N RB v US 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

17、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 S W 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 8 7 6 5 4 3 2 1 3 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