磁电式传感器
磁电式传感器
位置检测
用于检测汽车各部件的位置，如节气门位置、油门踏板位置等，实现精确控制。
车速检测
通过测量汽车轮速或发动机转速，将机械旋转转换为电信号，用于车速表、里程计等。
安全性应用
在制动系统、安全气囊等安全相关系统中，磁电式传感器用于检测关键参数，确保系统可靠运行。
03
导航系统
在惯性导航系统中，磁电式传感器用于测量飞行器的加速度和角速度，提供导航信息。
宽测量范围
快速响应：由于磁电感应原理的特性，磁电式传感器具有快速响应的特点。
磁电式传感器的性能可能受到温度的影响，需要进行温度补偿以保证测量准确性。
在某些情况下，磁电式传感器的输出信号与被测物理量之间可能存在非线性关系，需要进行校准和修正。
非线性误差
受温度影响
04
CHAPTER
磁电式传感器在各个领域的应用实例
03
02
01
将位移、角度等物理量转换为周期性变化的电信号，通过计数和处理得到被测物理量的数值。
原理
分辨率高，测量精度高，可靠性好，适用于高速、高精度测量系统。
特点
用于高精度位置反馈系统，如伺服电机控制系统、自动化生产线等。
应用
03
CHAPTER
磁电式传感器工作原理与性能参数
磁电感应原理
磁电式传感器利用磁电感应原理，将被测物理量的变化转换为感应电动势或感应电流的变化。当被测物理量与磁场相互作用时，会在传感器内部产生感应电动势或感应电流，进而实现测量。
智能化
通过集成多种测量原理和功能模块，磁电式传感器将实现多参数、多量程的测量，满足复杂应用场景的需求。
多功能化
灵敏度与稳定性
在复杂电磁环境下，提高磁电式传感器的抗干扰能力是关键，需要研究先进的噪声抑制和信号提取技术。
磁电式传感器
➢因RH＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率， μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一 般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半 导体材料。
➢霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元 件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
一般频响范围：10Hz~2kHz。
（二）变磁通式
又称为变磁阻磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的 角速度。结构原理如下图。
1、开磁路变磁通式
工作原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材 料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一 个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就 变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量 齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。
（三）磁电感应式扭矩仪（变磁通式）
1、结构组成：
转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁） 固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和 槽。
2、测量原理：
➢测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈 和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。
➢安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传 感器的定子槽与其转子齿相对。
定义：通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转 速）转换成电信号的一种传感器。
分类： 磁电感应式传感器； 霍尔式传感器； 磁栅式传感器。
第一节 磁电感应式传感器
▪ 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动 式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在 导体两端输出感应电动势的。它是一种机-电能量 变换型传感器。
在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁 （极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60， 其中Z为测量齿轮的齿数。
(第6章)磁电式传感器
6.2.2 霍尔元件的应用
1．霍尔式微量位移的测量 ．
由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感 成正比， 的函数， 应强度B是位置x的函数，即 UH=kx 13） （6-13） 式中： ——位移传感器灵敏度 位移传感器灵敏度。 式中：ｋ——位移传感器灵敏度。
测量转速时，传感器的转轴1 测量转速时，传感器的转轴1与被测物 体转轴相连接，因而带动转子2转动。 体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转 的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈3 磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应 出近似正弦波的电压信号， 出近似正弦波的电压信号，其频率与转速 成正比例关系。 成正比例关系。
2．霍尔元件基本结构 ．
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 根引线和壳体组成， 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图6-8阻 ）
I v= nebd
得
IB EH = nebd
IB UH = ned
式中： 称之为霍尔常数， 式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度， 其大小取决于导体载流子密度，则
RH IB = K H IB UH = d
（6-12） 12）
称为霍尔片的灵敏度。 式中： 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
磁电式传感器原理及应用
磁电式传感器原理及应用磁电式传感器是一种基于磁效应的传感器，能够通过测量电流和磁场之间的关系来检测和测量电流、位移、速度、角度等物理量。
该传感器通过电流和磁场之间的相互作用，将物理量转化为电信号，从而实现对物理量的测量和控制。
磁电式传感器具有高精度、高分辨率、高灵敏度、可靠性高等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
磁电式传感器的工作原理主要是基于磁电效应，即通过磁场作用于磁电材料产生的电势差来测量物理量。
常用的磁电材料有铁磁材料、反铁磁材料和压电材料等。
当磁电材料受到外界磁场的影响时，内部的电荷分布状态发生改变，从而在材料的两侧产生电势差。
根据外加电场的方向，可以将磁电材料分为电压系数和电流系数两种类型。
磁电式传感器的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 电流测量：磁电式传感器可以通过测量电流所产生的磁场来实现对电流的测量。
在电力系统中，磁电式传感器被广泛用于测量电流，用于电能计量、故障检测和保护等。
2. 位移测量：通过将磁电材料与磁场探头相结合，可以实现对位移的测量。
在工业自动化领域，磁电式传感器被广泛应用于位移传感器、液位传感器、角度传感器等领域。
例如，在机械加工中，可以通过位移传感器来监测工件的位移，从而实现对机械加工的控制和调整。
3. 速度测量：磁电式传感器可以通过测量旋转物体所产生的磁场来实现对速度的测量。
在汽车行业中，磁电式传感器被广泛用于测量车速，用于车速表和巡航控制系统等。
4. 角度测量：通过将磁电材料与磁场探头结合，磁电式传感器可以实现对角度的测量。
在航空航天、机器人、自动化控制等领域，磁电式传感器被广泛应用于角度传感器、导航传感器、姿态传感器等领域。
5. 磁场测量：磁电式传感器可以通过测量磁场对磁电材料产生的电势差来实现对磁场的测量。
在地理勘测、地震监测等领域，磁电式传感器被用于测量地球磁场和地震活动等。
总之，磁电式传感器作为一种重要的传感器技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展和进步，磁电式传感器将更加精确、灵敏地测量和控制物理量，为各个领域的发展做出更大的贡献。
磁电式传感器
图7.2.4 霍尔元件的等效电路
7.2 霍尔式传感器
此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某 一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而 使不等位电势为零。几种补偿线路如图7.2.5所示。
RP
RP RP (a) (b) (c) R (d)
RP
图7.2.5 不等位电势补偿电路
7.2 霍尔式传感器
第7章 磁电式传感器
7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器
7.1 磁电感应式传感器
磁电式传感器——通过电磁感应原理将被测量 （如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。
利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出 感应电势；属于机-电能量变换型传感器
优点: 不需要供电电源，电路简单， 性能稳定，输出阻抗小
此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。
7.2 霍尔式传感器
若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定 向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，即
I v nebd
代入上两式得
IB EH nebd IB UH ned
7.2 霍尔式传感器
式中令RH=1/ne，称之为霍尔系数（反映霍尔效 应强弱），其大小取决于导体载流子密度, 则
等 效 机 械 系 统 Vo为传感器外壳的运动速度，即被测物体运动速度； Vm为传感器惯性质量块的运动速度。
7.1 磁电感应式传感器
若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度 运动方程
dV0 (t ) dV (t ) m cV (t ) K V (t )dt m dt dt
Av ( ) ( / n ) 2 1 ( / n ) 2 [ 2 ( / n ) 2 ]
7.1 磁电感应式传感器
磁电式传感器课件
34
2. 工作原理
空穴
电子
磁场H = 0：
（a）
P
→ →→
i
←←←
N 电流
少量电子和空穴
在
复合区 H=0
I 区、r区复合
（b） P
i
H+
N 电流
正向磁场 H+ ： 电子和空穴偏向 r 区， 电流因复合增大而减小
（c）
P
i
H-
N 电流
反向磁场 H- ： 电子和空穴偏向 I 区， 电流因复合减少而增大
这种传感器工作磁场恒定，线圈和磁铁两者间 产生相对运动，切割磁场线而产生感应电势。
动圈式
动铁式
4
恒磁通式磁电传感器的结构原理图
e WBLvsin
e WBLvsin
e WBAsint
5
（二）变磁通式磁电式传感器（磁阻式）
线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连 接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动 中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈 的磁通量，在线圈中产生感应电动势。
1 Vcc
霍尔元件 放大
稳压
整形 输出 3 VT
结构： 稳压器、霍尔片、 差分放大器，施 密特触发器和输
地 2 出级等部分组成。
24
1 Vcc
霍尔元件 放大
稳压
整形 输出 3 VT
工作原理：
有磁场：UH >开启阈值，
高电平，VT导通 开状态
磁场减弱：UH <断开阈值，
地 2 低电平，VT截止 关状态
45
谢谢！
46
2. 已知某霍尔元件尺寸为长L=10mm，宽 b=3.5mm，厚d=1mm。沿L方向通以电流 I=1.0mA，在垂直于L×b方向上加均匀磁场 B=0.3T，输出霍尔电势UH=6.55mV。求该霍尔 元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n是多少？
磁电式传感器的工作原理
一、引言磁电式传感器（magnetic-electric sensor）是一种常见的传感器类型，广泛应用于各个领域中，包括工业自动化、交通运输、机器人、医疗设备等。
磁电式传感器利用磁力与电磁感应的原理，将磁场的变化转化为电信号，从而实现对磁场强度、方向或位置的检测。
本文将详细解释磁电式传感器的工作原理，包括其基本原理、结构、工作方式以及应用领域。
二、磁电式传感器的原理1. 电磁感应原理磁电式传感器的工作原理基于电磁感应的原理。
根据法拉第电磁感应定律，当一个导体在磁力线穿过时，会在导体中产生电动势。
这种现象可以用以下公式表示：EMF = -dΦ/dt其中EMF表示电动势，Φ表示磁场通量，dt表示时间的微小变化。
根据该定律可知，当磁场强度或磁场方向发生变化时，会在导体中产生电动势。
2. 磁电效应原理磁电式传感器的核心部件是磁电材料，如铁电材料或磁电材料。
磁电材料具有磁电效应，即在外加磁场的作用下，会产生磁感应强度与电场强度之间的线性关系。
磁电效应可以通过以下公式表示：E = k * H其中E表示电场强度，k表示磁电系数，H表示磁场强度。
根据该公式可知，当磁场强度发生变化时，磁电材料会产生相应的电场强度变化。
3. 磁电式传感器的构成磁电式传感器通常由磁电材料、电极、封装以及相关电路组成。
磁电材料：磁电材料是磁电式传感器的核心部件，它通过磁电效应将磁场的变化转化为电场的变化。
常见的磁电材料包括铁电材料和磁电材料。
电极：电极用于连接磁电材料和外部电路，将磁电材料产生的电场信号引出。
封装：封装是保护磁电材料和电极的外壳，通常采用环氧树脂或金属外壳进行封装。
相关电路：相关电路包括放大电路、滤波电路和输出电路等，用于放大和处理磁电材料产生的电场信号，提供给外部电路使用。
4. 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理基于磁电效应和电磁感应的原理。
当存在磁场时，磁电材料会产生相应的电场变化。
根据电磁感应原理，当磁场的强度或方向发生变化时，会在磁电材料中产生电动势。
传感器原理及应用第六章 磁电式传感器
两者工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起 振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率 足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来 不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹 簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振 动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电 势为
（一）磁电感应式传感器的工作原理
电磁式传感器工作原理
当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿 过线圈的磁通为Ф，则整个线圈中所产生的感应电动势e为
e W d dt
（二）磁电感应式传感器的结构及特点
1、磁电感应式传感器的结构
磁电式传感器基本上由以下三部分组成： ①磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器 体积，一般都采用永久磁铁； ②线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势； ③运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。
式(7 - 7)可得近似值:
γt ≈(-4.5%)/10 ℃
(Hale Waihona Puke - 8)这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采
用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁
性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一
小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它
分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从
而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为
常数。
（三）磁电感应式传感器的转换电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高 的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图为一般测量电路方框图
8-磁电式传感器全解
dt
若线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线时，则线圈两端产生 的感应电势
e NBl dx sin NBlvsin
dt
8.2 磁电感应式传感器
8.2.2 测量电路
磁电感应式传感器可以直接输出感应电动势信号，且磁电感应式传感器 通常具有较高的灵敏度，所以不需要高增益放大器。但磁电感应式传感 器只用于测量动态量，可以直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度。
8.1 霍尔式传感器
3.霍尔式压力传感器
8.1 霍尔式传感器
4.霍尔式转速传感器
齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器 件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的 转速。
8.1 霍尔式传感器
5.霍尔式接近开关 接近开关只能用于铁磁材料的检测.
8.2 磁电感应式传感器
8.3 磁敏元件
磁敏元件是基于磁电转换原理的传感元件。磁敏元件主要有磁敏电阻、 磁敏二极管和磁敏三极管等
8.3.1 磁敏电阻
将一载流导体置于外电场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随着 磁场而变化，这一现象称为磁阻效应。磁阻效应和霍尔效应是同时发 生的一种物理效应。磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。
8.1 霍尔式传感器
洛伦兹力 电场力 相等时
F qvB
F qEH
qvB qEH
霍尔电动势 U H bEH
控制电流 I nqvbd
UH
IB nqd
RH
IB d
K H IB
8.1 霍尔式传感器
8.1.2 霍尔元件
8.1 霍尔式传感器
8.1.3 典型应用
1.霍尔式电流传感器
霍尔电流传感器可以测量各种类型的电流，从直流电到几十千赫兹的 交流电
实验六磁电式传感器的性能
实验六 磁电式传感器的性能
一、实验目的
了解磁电式传感器的原理和工作情况。
二、工作原理
磁电式传感器是一种能把非电量转化为感应电动势的传感器，也称为感应式传感器。
根据电磁感应定律，ω匝线圈中的感应电动势 e 决定于穿过线圈的磁通φ的变化率：
d e dt
ω
Φ
=- 。
磁电式传感器是由永久磁钢产生恒定的直流磁场，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势。
e 与磁通变化率成正比，因此线圈与磁场必需有一个相对运动。
因此当转盘上嵌入 N 个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生 N 次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。
三、所需单元和部件
磁电式传感器、差动放大器、双线示波器（自备） 、V/F 表、低通滤波器、低频振荡器。
有关旋钮的初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，按下低频振荡器的振动控制开关，低频振荡器的幅度旋钮置于最小，V/F 表置 F 表 2KHz 档。
四、注意事项
实验过程中，低频振荡器的调幅旋钮不能过大，以梁振动时不碰撞其他为佳。
四、实验步骤
（1）观察磁电式传感器的结构，根据图6的电路结构，将磁电式传感器，差动放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路，并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。
（2）调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表。
磁电式传感器的基本结构
磁电式传感器是一种使用磁场和电压相互作用的传感器，常用于测量磁场强度或检测磁性材料的位置、速度和位移等参数。
其基本结构包括以下几个主要组成部分：1. 磁性材料：磁电式传感器中使用的磁性材料通常是铁氧体或其他具有磁性的材料。
这些材料具有良好的磁导率和磁导性能，可以产生和感应出磁场。
2. 磁场感应元件：磁电式传感器中的磁场感应元件是用于感应周围磁场的变化，并将其转换为电信号的部分。
常见的磁场感应元件包括霍尔效应传感器、磁电阻传感器和磁感应电容传感器等。
- 霍尔效应传感器：基于霍尔效应的传感器通过感应磁场中的霍尔电压变化来检测磁场的强度和方向。
当磁场施加在霍尔元件上时，将产生电压差，从而提供有关磁场的信息。
- 磁电阻传感器：磁电阻传感器利用磁场对材料电阻产生的影响来测量磁场。
磁场会改变材料中的电阻，通过测量电阻的变化，可以推断出磁场的强度。
- 磁感应电容传感器：磁感应电容传感器利用磁场对电容器电容值的影响来测量磁场。
磁场的变化会导致电容器中的电容值发生变化，通过测量电容值的变化，可以获得磁场信息。
3. 信号处理电路：磁电式传感器通常需要将感应到的电信号进行放大、滤波和调理，以便后续的测量和分析。
信号处理电路可以将感应到的微弱信号放大到合适的范围，并进行必要的滤波和校准，以提供准确的输出信号。
4. 输出接口：磁电式传感器的输出接口通常是电压信号或数字信号。
电压输出通常是通过模拟电路实现的，可以直接连接到外部测量设备或控制系统。
数字输出通常是通过微处理器或其他数字电路实现的，可以提供数字化的测量结果。
总之，磁电式传感器的基本结构包括磁性材料、磁场感应元件、信号处理电路和输出接口。
通过这些组成部分的协同作用，磁电式传感器能够感应和测量磁场的强度和变化，并将其转换为可用的电信号。
这使得磁电式传感器在许多应用领域中具有广泛的应用价值。
磁电式传感器(1)
2．转速测量
图（a）是把永磁体粘贴在旋转体上部，图（b）是把永磁体 粘贴在旋转体边缘。每个永磁体都形成一个小磁场，当旋转体转 动时，则霍尔电势发生突变。图（c）是其输出信号波形。永磁 体越多，分辨率越高，但最小脉冲周期不能小于计数周期。
霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4mm×2mm×0.1mm）， 在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端 引线，通常用红色导线。（其焊接处称为控制电流极（或称激 励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接 触（无PN结特性）。
在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根 霍尔输出引线，通常用绿色导线。（其焊接处称为霍尔电极， 要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比要小于0.1，否则 影响输出。 ）
将电子速度
v 代I入式（7-20），则霍尔电势为
newd
UH
IB ned
RH
IB d
K H IB
RH—霍尔系数。系数反映霍尔效应的强弱。 KH—霍尔器件的灵敏度。它表示霍尔器件在单位磁感应
强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。
由此可见：霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关， 还与尺寸有关。
的方法都可用来补偿不等位电势。
2、温度误差及补偿 霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的变化是很敏感的。
这是因为霍尔元件的电阻率、载流子迁移率、浓度等都是温度 的函数。因此，在工作温度变化时，它的一些特性参数，如内 阻、霍尔电势等都要发生相应的变化，从而使霍尔传感器产生 温度误差，必须采用适当电路进行补偿。
霍尔转速表的其他安装方法 霍尔元件
磁电式传感器
Hale Waihona Puke 电式传感器磁电式传感器的优点和局限性
磁电式传感器具有以下优点：结构简单、可 靠性高、寿命长、测量准确度高、抗干扰能 力强等。同时，磁电式传感器也存在一些局 限性，例如对温度和湿度的变化比较敏感， 容易受到外界磁场的影响，以及输出信号较 小需要放大处理等。因此，在实际应用中需 要根据具体需求选择合适的传感器类型和规 格
磁电式传感器
磁电式传感器的未来发展趋势
随着科技的不断进步和应用需求的不断提高，磁电式传感器的发展趋势如下
高精度与高可靠性：为了满足各种高精度和高可靠性应用的需求，需要不断提 高磁电式传感器的测量准确度和稳定性。可以采用新型材料和技术手段优化传 感器的结构和工艺，提高其性能指标。同时加强传感器的可靠性设计，提高其 稳定性和使用寿命
2
由于其结构简单、测量准确、可靠 性高、寿命长等优点，磁电式传感 器在工业自动化、航空航天、能源、
交通等领域得到了广泛应用
磁电式传感器
磁电式传感器的原理
磁电式传感器的工作原理基于法 拉第电磁感应定律，当导体线圈 在磁场中作切割磁感线运动时， 线圈中就会产生感应电动势。感 应电动势的大小与导体线圈的匝 数、磁感应强度B、线圈面积和 切割速度成正比。因此，通过测 量感应电动势的大小，就可以确 定被测量的变化
由于磁电式传感器具有测量准确、可靠性高、寿命长等优点，因此广泛应用于以下领域
电力工业：用于测量发电机、变压器的磁场电流和位移，以及电缆的局部放电 等 航空航天：用于测量飞机的飞行速度、加速度、陀螺仪等 能源：用于风力发电机的转速和功率测量，以及水轮机的流量和压力测量等
磁电式传感器 1 交通：用于测量汽车和火车的速度、加速度、里程表等 2 机器人：用于机器人的定位、导航和控制等 3 环境监测：用于测量空气质量、水质等环境参数 4 自动化生产线：用于测量生产线上物体的位置、速度等参数，实现自动化控制 5 医疗器械：用于测量心脏、呼吸等生理参数 6 安全监控：用于监控摄像头、红外探测器等安全设备中的磁场变化，实现报警功能 7 科学实验：用于磁场、电流等物理量的测量和实验研究
磁电式传感器
磁电式传感器磁电式传感器利用电磁感应原理将输入运动速度变换成感应电势输出，是一种有源传感器。
它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号。
并且，它具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。
有时磁电式传感器也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。
由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为10～1000Hz。
磁电式传感器的构成磁电式传感器构成：磁路系统、线圈1、磁路系统由它产生恒定直流磁场。
为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁；2、线圈由它运动切割磁力线产生感应电动势。
作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。
磁电式传感器的原理及特性（1）工作原理磁电式传感器的工作原理如图1 所示，它主要由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。
当柴油机运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。
（2）输出特性由磁电式传感器工作原理可知，其产生的交流电压信号的频率与齿轮转速和齿数成正比。
在齿数确定的情况下，传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速，其关系为式中，n 为发动机转速，r/ s；z 为触发轮被等分的齿数；f 为磁电式传感器的输出信号频率，Hz 。
磁电式传感器的输出电压不仅与传感器和触发轮间的间隙（ d ）有关,而且与n 有关。
为了设计合理的磁电式传感器信号处理模块，本研究在不同的d 以及n 条件下,通过大量的试验测出传感器的输出电压特性。
图2 为不同的n 条件下,7 X 传感器输出峰值电压与d 的关系;图3 为在不同的d 条件下,7 X 传感器输出峰值电压与n 的关系。
48X 传感器输出峰值电压信号特征也如此。
从图中可看出,在同一d 条件下,传感器输出的峰值电压随n 升高而增大；在同一n 条件下,d 越小, 其输出峰值电压越高。
磁电式传感器
6.1.4 磁电感应式传感器的应用
4.单灯型道口报警装置 列车接近道口时，列车车轮对掠过道口两
侧磁电式传感器（也称探头），传感器感应信 号经微处理器处理后通过无线传输开启道口两 侧警示灯及语音系统，自动声光报警（小心火 车，注意安全），提醒过往车辆及行人。
6.1 磁电感应式传感器
机电工程系
引言
1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，由 于笃信自然力的统一，伟大的物理学家法拉第 提出了“磁能否产生电”的想法，经过无数次 试验，终于于1831年首次发现了电磁感应现象。
一百多年来，电磁感应现象的应用层出不 穷，比如：发电机、变压器、话筒等。在传感 器中，也有一类是应用了电磁感应原理的传感 器——磁电感应式传感器。
磁电式传感器具有较大的输出功率，故配用电 路较简单，并且性能稳定，工作带宽一般为10～ 1000Hz，所以得到普遍应用。
6.1.1 基本原理
电磁感应定律 无论任何原因使通过闭合回路面积的磁通
量发生变化，都会建立起感应电动势，产生的 感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。
根据电磁感应定律，当N匝线圈在恒定磁场 内运动时，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内 的感应电动势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关
6.1.3 测量电路
磁电式传感器直接输出感应电动势，且通 常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益 放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要 获取加速度或位移信号，则需配用微分或积分 电路。测量电路的框图如下：
6.1.4 磁电感应式传感器的应用
1. 动圈式振动速度传感器 传感器测量的参数是振动速度, 若在测量电
磁电感应式传感器
a)磁电式车速传感器
b) 测速电机
5.2 磁电感应式传感器旳类型
按磁场方式分类，磁电感应式传感器分为变磁通式 和恒定磁通式两大类，每类还有不同型式。
1.变磁通式
变磁通式传感器又称为变磁阻磁电感应式传感器或 变气隙磁电感应式传感器。此类传感器旳线圈和磁 铁固定，利用铁磁性物质制成齿轮（或凸轮）与被 测物体相连而运动。在运动中，齿轮（或凸轮）不 断变化磁路旳磁阻，从而变化线圈旳磁通，在线圈 中产生感应电动势。此类传感器在构造上有开磁路 和闭磁路两种，一般用来测量旋转物体旳角速度， 产生感应电动势旳频率作为输出。
I0
R
e Rf
B0lNv R Rf
B0：工作气隙磁感应强度；
I0 e～
N：在工作气隙磁场中旳线圈匝数；
R
Rf
Rf：测量电路输入电阻；
磁电感应式传感器测量电路
R：线圈等效电阻； v：线圈垂直于磁场方向运动旳速度。
（2）电流敏捷度
Ki
dI 0 dv
B0lN R Rf
（3）输出电压
U0
I0Rf
这种传感器构造简朴，但需在被测对象上加装齿轮， 使用不以便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而 不宜测高转速。
（2）闭磁路变磁通式传感器
如测图量，轮被2在测磁旋场转气体隙1带中动档速椭圆转形动，1.被测物体 使气隙平均长度周期性地变化，
2.测量轮 3.线圈
因而磁路磁阻也周期性地变化，
4.软铁
磁通一样周期性地变化，则在线
e N d dt
当线圈垂直于磁场方向运动以速度 v 切割磁力线时，
感应电动势为： e NBlv
式中，l：每匝线圈的平均长度；
B：线圈所在磁场旳磁感应强度（T）。
第8章磁电式传感器
检缺口
检齿
第 8章
8.2
磁电式传感器
霍尔式传感器
8.2.4 霍尔传感器的应用 霍尔传感器位移测量原理
第 8章
8.2
磁电式传感器
霍尔式传感器
8.2.4 霍尔传感器的应用
第 8章
磁电式传感器
8.2 霍尔式传感器 8.2.4 霍尔传感器的应用 霍尔压力传感器结构原理
测转角： 测转角：
电流传感器
当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场， 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场， 磁场大小与流过导线的电流大小成正比， 磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场 可以通过软磁材料来聚集， 可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检 测。
铁磁材料裂纹检测
N
S
案例：汽车速度测量 案例：汽车速度测量:
第 8章
磁电式传感器
8.3 磁敏传感器 8.3.1 磁敏电阻器 磁阻效应： 载流导体置于磁场中, 磁阻效应 ： 载流导体置于磁场中 , 除了产生霍尔 效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转, 效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转, 载流子运动方向偏转使电流路径变化, 载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电 阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。 阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。 外加磁场使导体(半导体) 外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大 的现象称磁阻效应 磁阻效应。 的现象称磁阻效应。
霍尔常数（ 式中 RH——霍尔常数（m3C-1） 霍尔常数 I——控制电流（A） 控制电流（ ） 控制电流 B——磁感应强度（T） 磁感应强度（ ） 磁感应强度 d——霍尔元件的厚度（m） 霍尔元件的厚度（ ） 霍尔元件的厚度 令 KH=RH/d（VA-1Wb-1m2） （
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8
7 6 5
4
3 2
3
1
图5-6 动圈式振动速度传感器
2）动态特性
• 二阶动态模型
Xm—质量块的绝对位移 X0—振动体的绝对位移 Xi= Xm- X0—相对位移
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• 数学模型
m xm c xi kxi
m x m c ( x x ) k ( x m x0 ) m 0
1）工作原理 图5-6 是动圈式振动速度传感 器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆 形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外 壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过 小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端 通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。
工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体 振动时， 传感器外壳和永久磁铁随之振动，而 架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振 动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而 产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输 出通过引线输出到测量电路。
f –测量频率； f0—固有频率
5. ）阻尼系数：通过电磁阻尼和空气阻尼调节 在0.6~0.7之间
5.1.3 磁电感应式传感器的测量电路
微分电路 磁电式 传感器 显示 或 记录
量程选择
前置放大
积分电路
主放大器
SW
图5-5 磁电式传感器测量电路方框图
5.1.4 磁电感应式传感器的应用
动圈式振动速度传感器
它是一种有源传感器。即不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电 信号。
• 优点：电路简单，性能稳定，输出阻抗小， 输出功率大，具有一定的工作带宽（10～ 1000 Hz）； •.1.1 工作原理与结构
根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁 场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的 感应电势为
当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧 较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足 够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件 惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静 止不动，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度 接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运 动切割磁力线，从而产生感应电势为
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e BlNv
7
图 5-1 （ a ）为开磁路变磁通式传感器工作 原理图：线圈 3 、磁铁 1 静止不动，测量齿轮 4 安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每 转动一个齿，它与软铁 2 之间构成的磁路磁阻 变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感 应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮 上齿数的乘积。
开磁路式传感器的特点： 结构简单； 输出信号较小；
• 磁电感应式传感器主要讲授工作原理、类 型，重点介绍磁电式加速度传感器的结构 特点、动态特性、设计要点等 • 霍尔式传感器主要讲授霍尔效应、霍尔器 件、霍尔元件的误差以及霍尔式位移传感 器
1
5.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利 用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转 速等）转换成电信号的一种传感器。
(5-2)
式中，S——线圈的面积, N ——线圈在工作气隙磁场中的匝数, ——线圈的转速 。
根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器 结构：变磁通式和恒磁通式。 变磁通式
开磁路 闭磁路 动铁式
动圈式
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恒磁通式
图5-1显示了变磁通式传感器的结构与原理 --变磁通式磁电传感器又称为变磁阻式磁电传感 器。 --线圈、磁铁静止不动，感应电动势由变化的磁 通产生。其频率与磁通变化的频率相同。 --变磁通式磁电传感器，能用来直接测量旋转物 体的角速度。
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5.1.2 传感器的设计要点 （依恒磁通式为例） 传感器有两个基本元件：永磁体和线圈 永磁体：在磁路中产生恒定的直流磁场 线圈：与磁场中的磁通交链产生感应电动 势
1. ）永磁体设计原则
永磁体工作在最大磁能积（BH)max时，磁体的 体积最小。
设计原则：尽可能工作在最大磁能积上 常用材料：铝镍钴永磁合金
加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。
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图 5-1(b) 为闭磁路变磁通式传感器工作原理图： 它由装在转轴 7 上的内齿轮 5 和装在外壳上的外齿 轮6、永久磁铁1和感应线圈3组成，内外齿轮齿数 相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动， 内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动 使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁 通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动 e 势。 显然， 感应电势 与被测转速 成正比。
(5-3)
式中：B ——工作气隙磁感应强度； l ——每匝线圈平均长度； N ——线圈在工作气隙磁场中的匝数； v —— 相对运动速度。 由此可见，当传感器结构参数确定以后，感 应电动势 e 与相对运动速度v成正比。
总结
1）磁电感应式传感器应用电磁感应现象
2）只适用于动态测量 3）直接测量的量是振动体的速度或旋转体的 角速度 4）测量电路中接入积分电路或微分电路，则 可以测量物体的位移或加速度
永磁体必须进行时间、温度、组织结构等稳定 性处理
2.）工作气隙设计原则
为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度， 在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度 的前提下，尽量减小工作气隙宽度d。
一般选择: d/ld~1/4
ld –工作气隙深度
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3.）线圈组件：略小于工作气隙宽度d，保证线 圈的运动自由。 4.）固有频率和弹簧刚度：保证 f>3f0
d dx e Bl Blv dt dt
(5-1)
式中: B——稳恒均匀磁场的磁感应强度； l——导体有效长度； v——导体相对磁场的运动速度。
当一个N 匝线圈在磁场中作旋转切割磁力线 运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感 应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：
d e N NBS dt
图5-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路
图5-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式
恒磁通式的磁路系统产生恒定的直流磁场， 磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通 也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动 圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式 （图 5-2（a））和动铁式（图5-2(b)）的工作原 理是完全相同的。