第五章磁电式传感器知识讲解
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传感器原理及应用 第五章 磁电式与压电式传感器
用热磁分流器。
8/2/2023
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5.1.3磁电式感应式传感器的测量电路
磁电感应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。下图为测量 电路方框图。
磁电式传感器虽然配用积分电路可以测量位移，但它 只能测量位移随时间的变化，即动态位移，不能测静态位 移。
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（1）在有效载荷作用下测得最低频率时，位移的振幅为 5mm，试计算这时的输出电压值。
11
[例题1]图（a）磁电式传感器和图（b）自感式传感器有 何 异同？为什么后者可测量静态位移或距离而前者却不能？
解：相同点：二者都有线圈和活动衔铁。不同点：（a）
磁电式传感器的线圈是绕在永久磁钢上，磁电式传感器有永久
磁铁。自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。（b）
自感式传感器的自感取决于活动衔铁与铁心的距离，磁电式传
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或 冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为
dsI dB dL dR sI B L R
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1.非线性误差
主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时， 将产生一定的交变磁通ΦI，此交变磁通叠加在永久
磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化 如右图所示。
如图所示可见，在磁电感应式传感器后面接积分电路可 以测量位移，后面接微分电路可以测量加速度。因为位移是 速度的积分，而加速度是速度的微分。
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[例题3]已知磁电式速度传感器的技术参数如下：频率范围 5~100Hz，位移幅值范围为5mm（峰-峰值），加速度幅值 范围为0.1~30g（g=9.8m/s2），无阻尼固有频率为5Hz，线 圈电阻为600Ω，横向灵敏度最大为20%，灵敏度为 4.88V/(m/s),质量为170g。假设测量的振动是简谐振动。
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5.1.3磁电式感应式传感器的测量电路
磁电感应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。下图为测量 电路方框图。
磁电式传感器虽然配用积分电路可以测量位移，但它 只能测量位移随时间的变化，即动态位移，不能测静态位 移。
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（1）在有效载荷作用下测得最低频率时，位移的振幅为 5mm，试计算这时的输出电压值。
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[例题1]图（a）磁电式传感器和图（b）自感式传感器有 何 异同？为什么后者可测量静态位移或距离而前者却不能？
解：相同点：二者都有线圈和活动衔铁。不同点：（a）
磁电式传感器的线圈是绕在永久磁钢上，磁电式传感器有永久
磁铁。自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。（b）
自感式传感器的自感取决于活动衔铁与铁心的距离，磁电式传
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或 冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为
dsI dB dL dR sI B L R
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1.非线性误差
主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时， 将产生一定的交变磁通ΦI，此交变磁通叠加在永久
磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化 如右图所示。
如图所示可见，在磁电感应式传感器后面接积分电路可 以测量位移，后面接微分电路可以测量加速度。因为位移是 速度的积分，而加速度是速度的微分。
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[例题3]已知磁电式速度传感器的技术参数如下：频率范围 5~100Hz，位移幅值范围为5mm（峰-峰值），加速度幅值 范围为0.1~30g（g=9.8m/s2），无阻尼固有频率为5Hz，线 圈电阻为600Ω，横向灵敏度最大为20%，灵敏度为 4.88V/(m/s),质量为170g。假设测量的振动是简谐振动。
磁电式传感器介绍课件
温度稳定性
通过改进材料和结构设计，提高磁电式传感器的温度稳定性，使其在宽温范围内仍能保 持稳定的性能。
降低成本与推广应用
降低制造成本
优化生产工艺和降低原材料成本，以降 低磁电式传感器的制造成本，使其更具 市场竞争力。
VS
标准化与互操作性
推动磁电式传感器的标准化和互操作性， 促进不同厂商之间的传感器兼容性和互换 性，降低使用成本。
振动与冲击测量
振动传感器
磁电式传感器能够将机械振动转化为 电信号，实现振动的测量。在结构健 康监测、地震工程等领域有广泛应用 。
冲击传感器
磁电式传感器能够测量冲击波或冲击 力的强度和方向，常用于爆炸测试、 武器系统等领域的安全监测和防护。
05
磁电式传感器的未来发展与挑 战
新材料与新技术的应用
高性能磁性材料
高灵敏度
01
磁电式传感器采用磁电转换原理 ，能够将磁场变化转化为电信号 ，具有较高的灵敏度，能够检测 微弱的磁场变化。
02
高灵敏度使得磁电式传感器在测 量弱磁场、低磁场变化率以及微 小位移等方面具有显著优势。
宽测量范围
磁电式传感器的测量范围较广，能够 适应不同大小和类型的磁场。
宽测量范围使得磁电式传感器在各种 磁场环境下都能实现精确测量，具有 广泛的应用领域。
线圈设计还需要考虑到线圈的散热性能和绝缘性能，以确保传感器能够长时间稳定 运行。
材料选择与加工工艺
01
02
03
04
材料选择与加工工艺是影响磁 电式传感器性能的重要因素。
在材料选择方面，需要考虑到 材料的磁性能、机械性能和稳
定性等因素。
在加工工艺方面，需要考虑到 加工精度、表面处理和装配工
艺等因素。
通过改进材料和结构设计，提高磁电式传感器的温度稳定性，使其在宽温范围内仍能保 持稳定的性能。
降低成本与推广应用
降低制造成本
优化生产工艺和降低原材料成本，以降 低磁电式传感器的制造成本，使其更具 市场竞争力。
VS
标准化与互操作性
推动磁电式传感器的标准化和互操作性， 促进不同厂商之间的传感器兼容性和互换 性，降低使用成本。
振动与冲击测量
振动传感器
磁电式传感器能够将机械振动转化为 电信号，实现振动的测量。在结构健 康监测、地震工程等领域有广泛应用 。
冲击传感器
磁电式传感器能够测量冲击波或冲击 力的强度和方向，常用于爆炸测试、 武器系统等领域的安全监测和防护。
05
磁电式传感器的未来发展与挑 战
新材料与新技术的应用
高性能磁性材料
高灵敏度
01
磁电式传感器采用磁电转换原理 ，能够将磁场变化转化为电信号 ，具有较高的灵敏度，能够检测 微弱的磁场变化。
02
高灵敏度使得磁电式传感器在测 量弱磁场、低磁场变化率以及微 小位移等方面具有显著优势。
宽测量范围
磁电式传感器的测量范围较广，能够 适应不同大小和类型的磁场。
宽测量范围使得磁电式传感器在各种 磁场环境下都能实现精确测量，具有 广泛的应用领域。
线圈设计还需要考虑到线圈的散热性能和绝缘性能，以确保传感器能够长时间稳定 运行。
材料选择与加工工艺
01
02
03
04
材料选择与加工工艺是影响磁 电式传感器性能的重要因素。
在材料选择方面，需要考虑到 材料的磁性能、机械性能和稳
定性等因素。
在加工工艺方面，需要考虑到 加工精度、表面处理和装配工
艺等因素。
第5章磁电式传感器
一、类型及其工作原理
磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础。
根据法拉第电磁感应定律：
S
N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在
磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动
势e的大小取决于穿过线圈的磁通 的变化率，
即
e N d
dt
当线圈的导体与磁场之间做相对切割磁力线运动
时，在导体中产生感应电动势。由此可设计一类恒磁 通式磁电传片、四根引线和壳体组成 a, b两根引线，称为控制电流端引线 c, d两根引线，称为霍尔输出引线
霍尔元件符号
e BlN0v
式中: B——工作气隙磁感应强度;
l ——每匝线圈平均长度;
N0 ——线圈在工作气隙磁场中的匝数;
v——相对运动速度。
特点：
1、磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变， 磁通不变。
2、磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。
线圈产生的感应电势为 e BlN0v
（二）变磁通式 又称为变磁阻式或变气隙式，常用
第一节 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器又称感应式传感器, 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, 是有 源传感器。由于它输出功率大且性能稳定, 电 路简单，输出阻抗小，具有一定的工作带宽 （10～1000 Hz）, 所以得到普遍应用。
第二节 霍尔式传感器
一、工作原理 1. 霍尔效应
金属或半导体薄片置于磁场B中，当有电流I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生 电动势UH。此现象为霍尔效应。
UH KH IB
KH——灵敏度系数
电子在磁场中受洛伦兹力作用（右手螺旋定则）
fl e(v B)
传感技术 第5章 磁电式传感器
5.3 霍尔传感器
2、连接方式
W1
W2
- +- +
~
UH
- + - +UH
为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接 方式。
➢直流供电情况: 控制电流端并联，由W1， W2调节两个元件 的输出霍尔电势。
➢交流供电情况: 控制电流端串联，各元件输出端接输出变压 器 B 的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出 。
常用的测振传感器有动铁式振动传感器、圈 式振动速度传感器等。
5.4 磁电式传感器的应用
(一).测振传感器的应用 航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、
车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、 高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。
(二).测振传感器的工作特性 由图5.3可知，振动传感器是典型的集中参数m、k、
dt
(5-1)
d
Φ磁通量
磁铁与线圈之间作相对运动 磁路中的磁阻变化
dt 变化关键 恒定磁场中的线圈面积变化
根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通 式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电 式传感器。
5.1 基本原理和结构形式
➢变磁通式结构
永久磁铁1(俗称“磁钢”) 与线圈4（缠绕在磁轭2上） 均固定，动铁心3(衔铁) 的运动使气隙5和磁路磁 阻变化，引起磁通变化而 在线圈中产生感应电势， 因此又称变磁阻式结构。
求。
5.1 基本原理和结构形式
注意与电感式传感器区别
磁电式传感器：利用 d dt ，测量量变化→ 感应电压e 有源传感器
电感式传感器：利用衔铁运动，气隙宽度变化→
L 变化 →U 变化 无源传感器
传感器原理及其应用第五章磁电式传感器
禁带宽度 Eg/(eV)
0.66 1.107 0.17 0.36 0.63 1.47
电阻率 /(Ω·cm)
1.0 1.5 0.005 0.0035 0.08 0.2
电子迁移率
/(cm²/V·s)
3500 1500 60000 25000 10500 8500
霍尔系数 RH/(cm³·C-1)
4250 2250 350 100 850 1700
制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。
2) 霍尔元件的材料 锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓 (GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6-2所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。
材料(单晶)
N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb) 砷化铟(InAs) 磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理
恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割 磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度
dx/dt成正比的感应电动势E，其大小为 E NBl dx dt
3．扭矩测量
当转轴不受扭矩时，两线圈输出 信号相同，相位差为零。当被测轴 感受扭矩时，轴的两端产生扭转角， 因此两个传感器输出的两个感应电 动势将因扭矩而有附加相位差 。
扭转0角 与感应 电动势相位差的关
系为
0 z
式中：z为传感器定子、转子的齿
数。
6.2 霍尔式传感器
霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一 种传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其 变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
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。
5磁电式传感器
成角
单匝线圈的有效长度为l ，dt时间内的位 移是dy，则面积dA=ldy上磁通量的变化为:
d=BdAsin 式中:B —为磁场的磁感应强度
单匝线圈产生的感应电势为: de=d /dt
对于有效匝数为W的线圈,在线圈中产 生的感应电动势为:
e=Wd /dt = WBdAsin /dt = WB sin ldy /dt = WBlvysin
（二） 磁电式传感器的测量电路
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。下图为一般测量电路方框图。
Z0 感应 e 电动势
RC CC
负载 电阻 R1 e1 微分或
积分
放大器
输出 检波
传感器 电缆
动圈磁电式传感器的等效电路
线圈等效阻抗Zo =r+jL, 式中r约为300 -2000,L为数百毫亨 电缆电阻: RC=0.03/m；电缆的分布电容：CC=70pF/m
一. 磁电式传感器的工作原理 根据电磁感应定律，当w匝线圈在均恒磁场内运动时，
穿过线圈的磁通变化率d/dt与线圈的感应电势E的关系 为:
e w d dt
显然，在电磁感应现象中，磁通量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变化是产生感 应电势的关键。磁通量的变化可以通过许多方法实现。 在实际工作中，常采用线圈与磁铁之间相对往复运动的 方式而制成动圈式或者是动铁式磁电转换元件；采用磁 路中磁阻变化的方式制成磁阻式磁电转换元件。
相对来说, RC可以忽略,这时等效电路的输出电压为:
e1
e 1
Z0 R1
1
jCc Z0
若电缆不长,则CC,可以忽略,又若R1>>Z0,则上式可简化为e1e
（三）动圈式磁电传感器 测试中，依据参考坐标，将传感器分为相对式和绝对式(又称惯
单匝线圈的有效长度为l ，dt时间内的位 移是dy，则面积dA=ldy上磁通量的变化为:
d=BdAsin 式中:B —为磁场的磁感应强度
单匝线圈产生的感应电势为: de=d /dt
对于有效匝数为W的线圈,在线圈中产 生的感应电动势为:
e=Wd /dt = WBdAsin /dt = WB sin ldy /dt = WBlvysin
（二） 磁电式传感器的测量电路
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。下图为一般测量电路方框图。
Z0 感应 e 电动势
RC CC
负载 电阻 R1 e1 微分或
积分
放大器
输出 检波
传感器 电缆
动圈磁电式传感器的等效电路
线圈等效阻抗Zo =r+jL, 式中r约为300 -2000,L为数百毫亨 电缆电阻: RC=0.03/m；电缆的分布电容：CC=70pF/m
一. 磁电式传感器的工作原理 根据电磁感应定律，当w匝线圈在均恒磁场内运动时，
穿过线圈的磁通变化率d/dt与线圈的感应电势E的关系 为:
e w d dt
显然，在电磁感应现象中，磁通量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变化是产生感 应电势的关键。磁通量的变化可以通过许多方法实现。 在实际工作中，常采用线圈与磁铁之间相对往复运动的 方式而制成动圈式或者是动铁式磁电转换元件；采用磁 路中磁阻变化的方式制成磁阻式磁电转换元件。
相对来说, RC可以忽略,这时等效电路的输出电压为:
e1
e 1
Z0 R1
1
jCc Z0
若电缆不长,则CC,可以忽略,又若R1>>Z0,则上式可简化为e1e
（三）动圈式磁电传感器 测试中，依据参考坐标，将传感器分为相对式和绝对式(又称惯
传感器电子讲稿-第五章磁电式和磁敏式传感器
政策支持
政府应加大对传感器产业的支 持力度，推动相关产业的发展
。
应用领域拓展
随着新技术的不断涌现和应用 需求的增长，传感器将有更广 阔的应用前景和发展空间。
05
实际应用案例分析
磁电式传感器应用案例
01
案例一：磁场强度检测
02
案例一：磁场强度检测
03
案例一：磁场强度检测
04
案例一：磁场强度检测
磁敏式传感器应用案例
案例一：电流检测
输标02入题
磁敏式传感器可以用于检测线路中的电流，如电流互 感器。通过测量磁场的变化，可以间接测量线路中的 电流大小，为电力系统提供监测和控制功能。
01
03
在自动化生产线中，磁敏式传感器常被用作接近开关， 检测物体的位置和运动状态，实现自动化控制。
04
案例二：接近开关
比较分析与应用建议
环境监测
用于检测磁场、电磁场和磁场变化等环境参数， 实现对大气污染、水体质量等的实时监测。
机器人技术
用于机器人姿态、位置和运动状态的感知，提高 机器人的自主导航和操作能力。
面临的挑战与机遇
01
02
03
04
技术创新
需要不断进行技术创新，提高 传感器的性能指标和应用范围
。
市场竞争
面临国内外同行的竞争，需要 加强品牌建设和市场推广。
磁电式和磁敏式传感器的未来发展
技术发展趋势
01
02
03
04
微型化
随着微电子和纳米技术的发展 ，磁电式和磁敏式传感器将进 一步实现微型化，提高集成度 和灵敏度。
智能化
传感器将与人工智能、物联网 等技术结合，实现智能化感知 、数据处理和远程控制等功能 。
传感器唐文彦5磁电式传感器
a)开磁路
感应电动势频率
a)闭磁路
f nz (Hz) 60
11cgq05_1
数字量
6
闭磁路型 转
环频 轴 境率 条下 件限 要较 求高 低; ；
内齿轮
外齿轮
内外齿轮的齿数相同
11cgq05_1
7
其中永久磁铁(俗称“磁钢”)与线圈 均固定，动铁心(衔铁)的运动使气隙和磁 路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产 生感应电势，因此又称变磁阻式结构。
11cgq05_1
2
一、类型及工作原理
电磁感应：N匝线圈在磁场中运 动切割磁力线或线圈所在磁场的磁 通发生变化时，线圈中产生的感应 电动势为
e N d
dt
根据这一原理，可以设计成恒定磁通式和 变磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速 度的磁电式传感器。
11cgq05_1
3
1、恒定磁通式
11cgq05_1
42
霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。
线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差 动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件 如UGN3501等。
线性型三端 霍尔集成电路
11cgq05_1
43
开关型霍尔集成电路
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳 压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门 由高阻态变为导通状态，输出变为低电平； 当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变 为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍 尔器件如UGN3020等。
速度。
11cgq05_1
17
设 kH=RH / d
第5章 磁电式传感器 3
26
3、磁电式测扭矩传感器 ■扭矩
扭矩是使物体发生转动的力 扭矩是指旋转装置旋转时，所需要的力矩，单位是牛顿· 米。 （旋转装置旋转时，正常工作范围内可以加载的最小力矩）
发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩 扭矩是汽车发动机的主要技术指标之一，它反映在汽车性能上， 包括加速度、爬坡以及悬挂能力等。 它的定义是：活塞在汽缸里的往复运动，往复一次做用一定的功， 它的单位是牛顿；在每个单位距离所做的功就是扭矩。 扭矩是衡量一个汽车发动机好坏的重要标准，一辆车扭矩的大小与 发动机的功率成正比。 在排量相同的情况下，扭矩越大说明发动机越好。
当传感器线圈相对运动的速度 和方向改变时，由 i 产生的附 加磁场的作用也随之改变 ， 从而使传感器的输出有谐波失 真。线圈中的电流越大，这种 非线性就越严重。
v Φ N
i
Φi
e
S
采用补偿线圈，可使其产生的 传感器线圈电流 i 的磁场效应 交变磁通与线圈本身产生的交 变磁通相互抵消。 气隙磁场不均匀也是造成传感器非线性误差的原因之一。
磁电式传感器是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。
磁电式传感器不需要辅助电源，就可把被测对象的机械能转换成 有用的电信号，是一种无源传感器。也称为电动式传感器。 本章介绍磁电式传感器有：
●磁电感应式传感器
●霍尔式传感器
3
第一节 磁电感应式传感器
一、工作原理及结构
二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用
ld
N
永久磁铁
v
弹簧
支架 线圈 软铁 磁路
式中： B 工作气隙磁感应强度 l 每匝线圈的平均长度 v 线圈相对于磁场的运动速度 W 线圈处于工作气隙磁场中的线圈匝数，工作匝数
3、磁电式测扭矩传感器 ■扭矩
扭矩是使物体发生转动的力 扭矩是指旋转装置旋转时，所需要的力矩，单位是牛顿· 米。 （旋转装置旋转时，正常工作范围内可以加载的最小力矩）
发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩 扭矩是汽车发动机的主要技术指标之一，它反映在汽车性能上， 包括加速度、爬坡以及悬挂能力等。 它的定义是：活塞在汽缸里的往复运动，往复一次做用一定的功， 它的单位是牛顿；在每个单位距离所做的功就是扭矩。 扭矩是衡量一个汽车发动机好坏的重要标准，一辆车扭矩的大小与 发动机的功率成正比。 在排量相同的情况下，扭矩越大说明发动机越好。
当传感器线圈相对运动的速度 和方向改变时，由 i 产生的附 加磁场的作用也随之改变 ， 从而使传感器的输出有谐波失 真。线圈中的电流越大，这种 非线性就越严重。
v Φ N
i
Φi
e
S
采用补偿线圈，可使其产生的 传感器线圈电流 i 的磁场效应 交变磁通与线圈本身产生的交 变磁通相互抵消。 气隙磁场不均匀也是造成传感器非线性误差的原因之一。
磁电式传感器是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。
磁电式传感器不需要辅助电源，就可把被测对象的机械能转换成 有用的电信号，是一种无源传感器。也称为电动式传感器。 本章介绍磁电式传感器有：
●磁电感应式传感器
●霍尔式传感器
3
第一节 磁电感应式传感器
一、工作原理及结构
二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用
ld
N
永久磁铁
v
弹簧
支架 线圈 软铁 磁路
式中： B 工作气隙磁感应强度 l 每匝线圈的平均长度 v 线圈相对于磁场的运动速度 W 线圈处于工作气隙磁场中的线圈匝数，工作匝数
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
磁电式传感器课件
滤波电路的设计 滤波电路用于滤除噪声和干扰信 号，提高传感器输出的信噪比。 应根据实际需求选择合适的滤波 器类型和参数。
相敏检波电路的设计 相敏检波电路用于提取传感器输 出的有用信号，其设计应考虑检 波方式和阈值电压的选择。
输出特性的优化
灵敏度的优化
灵敏度是磁电式传感器的重要性能指标之一，可以通过优 化磁路系统和感应线圈的设计来提高灵敏度。
利用先进的纳米制造技术 ，实现传感器的小型化、 集成化和高精度制造。
3D打印技术
利用3D打印技术快速原型 制造和定制化生产磁电式 传感器，提高生产效率和 降低成本。
薄膜工艺
发展先进的薄膜工艺，制 备超薄、高性能的磁电式 传感器，提高其响应速度 和稳定性。
新应用领域的拓展
生物医疗领域
探索磁电式传感器在生物医疗领 域的应用，如生物分子检测、医 学成像等。
类型与分类
类型
磁电式传感器有多种类型，包括 变磁阻式、变磁导式、电动式和 压磁式等。
分类
根据工作原理和应用领域，磁电 式传感器可分为模拟式和数字式 两大类。
应用领域
磁场测量
磁电式传感器广泛应用 于磁场测量领域，如地 球磁场测量、磁力仪等
。
速度和位置检测
磁电式传感器可用于检 测旋转或线性运动的速 度和位置，如转速表、
磁电式传感器课件
目 录
• 磁电式传感器概述 • 磁电式传感器的组成与特性 • 磁电式传感器的设计与优化 • 磁电式传感器的使用与维护 • 磁电式传感器的未来发展与展望
01
磁电式传感器概述
定义与工作原理
定义
磁电式传感器是一种基于电磁感应原 理的传感器，能够将磁场变化转换为 电信号输出。
工作原理
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）。
磁电式传感器讲述介绍课件
产效率和降低成本。
激光加工技术
利用激光技术进行传感器加工和 微细结构制作，提高加工精度和
表面质量。
新应用领域的探索
生物医学领域
探索磁电式传感器在生物医学领域的应用，如磁 场导向药物输送、磁场辅助治疗等。
环境监测领域
利用磁电式传感器对磁场和电场的敏感特性，进 行环境监测和污染控制。
航空航天领域
探索磁电式传感器在航空航天领域的应用，如飞 行器姿态控制、导航系统等。
为了提高感应线圈的灵敏度和 线性度，通常采用高导磁率的 材料制作线圈骨架，同时采用 精密的绕线工艺。
感应线圈的绝缘保护对于保证 传感器的稳定性和安全性至关 重要，通常采用特殊的绝缘材 料和工艺进行保护。
信号处理电路
01
信号处理电路是磁电式传感器的重要组成部分，主要负责对感应线圈 输出的电信号进行处理和转换。
与电容式传感器的比较
磁电式传感器
通过磁场变化感应电压，输出信号与被测物体的振动速度成正比 ，具有响应速度快、灵敏度高等优点。
电容式传感器
利用电容器原理，通过检测极板间距的变化来检测位移或压力等物 理量，具有结构简单、稳定性好等优点。
比较
磁电式传感器在测量速度方面具有优势，而电容式传感器在测量位 移和压力方面更擅长。
磁电式传感器讲 述介绍课件
目录
• 磁电式传感器概述 • 磁电式传感器的组成与结构 • 磁电式传感器的性能参数 • 磁电式传感器的使用与维护 • 磁电式传感器的未来发展与展望 • 磁电式传感器与其他传感器的比
较
01
磁电式传感器概述
定义与工作原理
定义
磁电式传感器是一种基于电磁感 应原理的传感器，能够将磁场变 化转换为电信号输出。
激光加工技术
利用激光技术进行传感器加工和 微细结构制作，提高加工精度和
表面质量。
新应用领域的探索
生物医学领域
探索磁电式传感器在生物医学领域的应用，如磁 场导向药物输送、磁场辅助治疗等。
环境监测领域
利用磁电式传感器对磁场和电场的敏感特性，进 行环境监测和污染控制。
航空航天领域
探索磁电式传感器在航空航天领域的应用，如飞 行器姿态控制、导航系统等。
为了提高感应线圈的灵敏度和 线性度，通常采用高导磁率的 材料制作线圈骨架，同时采用 精密的绕线工艺。
感应线圈的绝缘保护对于保证 传感器的稳定性和安全性至关 重要，通常采用特殊的绝缘材 料和工艺进行保护。
信号处理电路
01
信号处理电路是磁电式传感器的重要组成部分，主要负责对感应线圈 输出的电信号进行处理和转换。
与电容式传感器的比较
磁电式传感器
通过磁场变化感应电压，输出信号与被测物体的振动速度成正比 ，具有响应速度快、灵敏度高等优点。
电容式传感器
利用电容器原理，通过检测极板间距的变化来检测位移或压力等物 理量，具有结构简单、稳定性好等优点。
比较
磁电式传感器在测量速度方面具有优势，而电容式传感器在测量位 移和压力方面更擅长。
磁电式传感器讲 述介绍课件
目录
• 磁电式传感器概述 • 磁电式传感器的组成与结构 • 磁电式传感器的性能参数 • 磁电式传感器的使用与维护 • 磁电式传感器的未来发展与展望 • 磁电式传感器与其他传感器的比
较
01
磁电式传感器概述
定义与工作原理
定义
磁电式传感器是一种基于电磁感 应原理的传感器，能够将磁场变 化转换为电信号输出。
传感器5第五章磁电式传感器
霍尔式传感器的应用之二
霍尔式转速计
工作原理及用途： 工作原理及用途：
被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适 用于低转速，体积小、安装方便，对环境无要求 ，适合各种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜 长期工作。
第五章 磁电式传感器
磁是人们所熟悉的一种物理现象， 磁是人们所熟悉的一种物理现象，最简单的把磁 转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律， 转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律， 在切割磁通的电路里， 在切割磁通的电路里，产生与磁通相变化速率成正比 的感应电动势。 的感应电动势。 磁传感器的种类较多， 磁传感器的种类较多，制作传感器的材料有半导 磁性体、超导体等， 体、磁性体、超导体等，不同材料制作的磁传感器其 工作原理和特性也不相同。 工作原理和特性也不相同。 磁电式传感器主要是通过磁电作用将被测量(如振动、 磁电式传感器主要是通过磁电作用将被测量(如振动、 主要是通过磁电作用将被测量 位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。 位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。 类型： 类型： 磁电感应式传感器 霍尔式传感器 磁栅式传感器
β α RP = Ri 0 α
β α
β RP = Ri 0 α
选择 RP 可减小温度的影响
（2）合理选择负载电阻 ）
β RL = R00 1 α
R。。---温度为t。时的输出电阻 。。---温度为t
（3）采用恒压源和输入回路串联电阻 ）
当霍尔元件采用稳压电源供电， 当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔 输出开路状态工作时， 输出开路状态工作时，可在输入回路串入适 当电阻来补偿温度误差。 当电阻来补偿温度误差。
工作原理： 工作原理：
根据法拉第电磁感应定律： 根据法拉第电磁感应定律： 线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所 在磁场的磁通变化时， 在磁场的磁通变化时，线圈所产生的感应电 动势的大小取决于穿过线圈磁通的变化率。 动势的大小取决于穿过线圈磁通的变化率。
第五章 磁电式传感器
其中 Ro 0 —温度为t0时的霍尔元件输出电阻。 为使负载上的电压不随温度而变化，应使
dU L 0 ，即得 d (t t0 )
RL Ro 0 ( 1)
可采用串、并联的方法使上式成立来补偿温度误差。
（3）采用温度补偿元件
热敏电阻Rt具有负温度系数，电阻丝具有正温度系 数。a、b、c图中霍尔输出具有负温度系数。d图为 用Rt补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差。
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。该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中
接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接
2、霍尔式转速传感器
转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在 转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检 测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少 就可确定传感器测量转速的分辨率。
KH=KH0(1+αΔT)
式中： KH0——温度T0时的KH值； ΔT=T-T0——温度变化量； α—霍尔电势温度系数。
（0）
Ip Rp Is
IH
UH
恒流温度补偿电路
大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的霍尔电势随温 度升高而增加αΔT倍。 但如果同时让激励电流Is相应地减小， 并
KH0IH0B=KHIHB
有
KH0IH0=KHIH
将式（0）、（1）、（4）代入上式，经整理并略 去αβ(ΔT)2高次项后得
dU L 0 ，即得 d (t t0 )
RL Ro 0 ( 1)
可采用串、并联的方法使上式成立来补偿温度误差。
（3）采用温度补偿元件
热敏电阻Rt具有负温度系数，电阻丝具有正温度系 数。a、b、c图中霍尔输出具有负温度系数。d图为 用Rt补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差。
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。该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中
接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接
2、霍尔式转速传感器
转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在 转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检 测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少 就可确定传感器测量转速的分辨率。
KH=KH0(1+αΔT)
式中： KH0——温度T0时的KH值； ΔT=T-T0——温度变化量； α—霍尔电势温度系数。
（0）
Ip Rp Is
IH
UH
恒流温度补偿电路
大多数霍尔元件的温度系数α是正值，它们的霍尔电势随温 度升高而增加αΔT倍。 但如果同时让激励电流Is相应地减小， 并
KH0IH0B=KHIHB
有
KH0IH0=KHIH
将式（0）、（1）、（4）代入上式，经整理并略 去αβ(ΔT)2高次项后得
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I0
E RRf
B0Lv
RRf
式中: Rf ——测量电路输入电阻;
R —— 线圈等效电阻。
传感器的电流灵敏度为
SI
I v
B0LW RRf
而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
U0 I0Rf
B0LwvfR RRf
SU
U0 B0LwRf v RRf
三、 测量电路
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
γt ≈(-4.5%)/10 ℃
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。
1. 非线性误差
磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是: 由于传感器线圈内有电
流I流过时, 将产生一定的交变磁通ΦI, 此交变磁通叠加在永久磁铁所产生 的工作磁通上, 使恒定的气隙磁通变化
如图所示。 当传感器线圈相对于永久 磁铁磁场的运动速度增大时, 将产生较大的 感生电势E和较大的电流I, 由此而产生的附 加磁场方向与原工作磁场方向相反, 减弱了 工作磁场的作用, 从而使得传感器的灵敏度 随着被测速度的增大而降低。
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a）, 也可以是磁铁（动铁式b）, 二者的工作原理是 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
为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器 中加入补偿线圈。 补偿线圈通以经放大K 倍的电流, 适当选择补偿线圈参数, 可使其 产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的 交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。
2. 温度误差
当温度变化时, 对铜线而言每摄氏度变化量为 dL/L≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2 , dB/B每摄氏度的变化量 取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金, dB/B≈0.02×10-2, 因此
EB0Lv
式中: B0 ——工作气隙磁感应强度; L ——每匝线圈平均长度;
——线圈在工作气隙磁场中的匝数;
v ——相对运动速度。
线速度型应用实例
工业测振动 microphone
角速度型应用实例
测速电机
2.变磁通式
图a为开磁路变磁通式: 线圈、 磁铁静止不动, 测量齿轮 安装在被测旋转体上, 随之一起转动。每转动一个齿, 齿的凹 凸引起磁路磁阻变化一次, 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齿数的乘积。 这种传感器结构简单, 但输出信号较小, 且因高速轴上加装齿 轮较危险而不宜测量高转速。
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。 该传感器测量的是振动
速度参数, 若在测量电路中接入
积分电路, 则输出电势与位移成
正比; 若在测量电路中接入微分
电路, 则其输出与加速度成正比。
2. 磁电式扭矩传感器
图为磁电式扭矩传感器的工作原理图。 在驱动源和负载之 间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应的两个 磁电传感器。传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和 铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆 盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生 变化, 在线圈中感应出交流电压, 其频率等于圆盘上齿数与转数 乘积。
四、应用举例
工作时, 传感器与被测物体刚
性连接, 当物体振动时, 传感器
1. 动图圈为式动振圈动式速振度动传速感度器传感器结构外示壳意和图永。久磁其铁结随构之主振要动,由而钢架 制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱空形的永芯轴久、磁线铁圈与和外阻壳尼环固因定惯成性 一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小而孔不的随芯之轴振两动端。架因起而线, 圈磁和路空 阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架气空隙且中的与线外圈壳切相割连磁。力线而产生
a）开磁路
b）闭磁路
b）闭磁路
变磁通应用实例：车速传感器
特点 对环境条件要求不高 能在-150＋90℃的温度下工作，不影响测量精度 也能在油、水雾、灰尘等条件下工作 但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达 100Hz。
二、基本特性
当测量电路接入磁电传感器电路中, 磁电传感器的输出
电流 Io为
第五章 磁电式传感器
前言 5.1 5.2霍尔式传感器 磁栅式传感器（简介）
磁电式传感器主要包括磁电感应式传感器、 霍尔式传感器两种。本章主要介绍其工作原理、 性能及特点；
首先来看一个利用霍尔式传感器将非电量 转化为磁场变化，从而进行测量的例子。
与电感式微压力传感器具有类似结构。
一、工作原理
根据电磁感应定律, 当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 势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系:
E d
dt
BSco s
根据这一原理, 可以设计成两种磁电传感器结 构：变磁通式和恒磁通式。
恒 动圈式
磁 电
磁 通 动铁式
感
应 式 变 开磁路
磁 通 闭磁路
线速度型 角速度型
1.恒磁通式
图为恒磁通式磁电传感器典型结构，它由永久磁铁、线 圈、弹簧转轴上的内齿轮和外齿 轮、永久磁铁和感应线圈组成, 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生电动 势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。