第五章磁电式传感器知识讲解
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5磁电式传感器
(一)动圈和动铁式传感器的工作原理 1.线位移式 1.线位移式 (1)线圈在磁场中的运动方向与磁场方向 (1)线圈在磁场中的运动方向与磁场方向 成θ角 单匝线圈的有效长度为l dt时间 单匝线圈的有效长度为l ,dt时间内的位 时间内的位 移是dy 则面积dA=l 上磁通量的变化为: dy, 移是dy,则面积dA=ldy上磁通量的变化为: dΦ=BdAsinθ 式中: 式中:B —为磁场的磁感应强度 单匝线圈产生的感应电势为 单匝线圈产生的感应电势为: de=dΦ /dt 产生的感应电势为: 对于有效匝数为W的线圈, 对于有效匝数为W的线圈,在线圈中 产生的感应电动势为: 产生的感应电动势为: e=WdΦ /dt = WBdAsinθ /dt = WB sinθ ldy /dt = WBlvysinθ 式中v 敏感轴( 式中vy— 敏感轴(y轴)方向线圈相对于 磁场的速度, 磁场的速度,m/s;
二.恒磁通式磁电传感器 典型的恒磁通式磁电传感器结构由永久磁铁 线圈,弹簧, 由永久磁铁, 典型的恒磁通式磁电传感器结构由永久磁铁,线圈,弹簧, 金属骨架等组成. 金属骨架等组成. 磁路系统产生 恒定的直流磁场, 恒定的直流磁场, 磁路中的工作气隙 固定不变, 固定不变,因而气 隙中磁通也是恒定 不变的.其运动部 不变的. 件可以是线圈( 件可以是线圈(动圈 如图(a)所示; (a)所示 式),如图(a)所示; 也可以是磁铁( 也可以是磁铁(动铁 如图(b)所示. (b)所示 式),如图(b)所示.
第章磁电式传感器
5.2 霍尔式传感器
5.2.1 霍尔效应及霍尔元件
1. 霍尔(Edwin Herbert Hall)效应
置于磁场中的导体或半导体，当有电流流过 时，在垂直于电流与磁场方向上将产生电动势， 这种现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势。如图 5-9所示，在垂直于外磁场 B的方向上放置一导体 或半导体片，并通以电流I，方向如图所示。
17
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
2 2
2 2 x i ( ) 2 22 2 x ( 1 ) ( 2 ) 0
幅频特性
相频特性
2 tan 2 2 1
1
30
xi x0
1
＞
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磁电式扭矩传感器
图5-7是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。 磁电传感器的结构见图5-8所示。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， 其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。
磁电式速度传感器课件
智能交通
智能交通系统是未来交通发展的重要方向， 磁电式速度传感器可以用于智能交通系统中 的车辆速度检测、交通流量统计等方面，提 高交通管理的智能化水平。
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磁电式速度传感器课件
• 磁电式速度传感器概述 • 磁电式速度传感器的工作原理 • 磁电式速度传感器的设计与制造 • 磁电式速度传感器的应用实例 • 磁电式速度传感器的维护与保养 • 未来发展趋势与展望
01
磁电式速度传感器概述
定义与工作原理
定义
磁电式速度传感器是一种基于磁电感应原理的速度测量装置，通过测量磁场变 化来检测物体的速度或加速度。
和运动模式，提高机器人的稳定性和灵活性。
05
磁电式速度传感器的维护与保养
使用注意事项
避免剧烈震动和撞击
磁电式速度传感器内部结构精密，剧 烈震动和撞击可能导致传感器损坏。
保持传感器清洁
传感器表面应保持清洁，避免灰尘、 污垢等杂质的干扰，以免影响测量精 度。
定期校准
为确保测量精度，建议定期对磁电式 速度传感器进行校准。
避免超量程使用
避免在超过传感器量程的条件下使用 ，以免造成传感器损坏或测量误差。
常见故障及排除方法
测量值偏差
如果测量值与实际值存在偏差，可能是由 于传感器内部元件老化或外部干扰所致，
需要重新校准或更换传感器。
第五章磁电式传感器
（1）与感应同步器、容栅传感器类似，精度低于感 应同步器和容栅传感器。 （2）录制方便，成本低廉，可以随时抹去，重新录制 （3）使用方便，可以安装完毕后录制磁信号，避免安 装误差； （4）可以方便地录制各种节距的磁信号，等间距，非 等间距；
（5）空间电磁场一般不影响工作，抗干扰，但仍需屏蔽；
http://wenku.baidu.com/view/5ad7b5f67c1cfad6195fa73a.html
IC
VH
I
B
通电电流
（ⅱ）导线贯串磁芯法
如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串 它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中， 这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。
当导线中有电流流通时， 导线周围产生磁场，使导磁 体铁芯磁化成暂时性磁铁， 在环形气隙中就会形成一个 磁场，导体中的电流越大， 气隙处的磁感应强度就越大， 霍尔元器件输出的霍尔电压 I VH就越大。可以通过霍尔电 压检测到导线中的电流。这 种方法可以提高电流测量的 精度。
②利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖
层厚度测量
磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非 磁性涂层的厚度测量。 例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷 等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。
SL3501M
永磁体
U型铁心
磁回路
将U型硅钢片 铁芯中间断开，然 后将SL3501M霍尔 线性集成传感器和 一片钕铁硼永磁体 夹在中间，用502 胶粘牢。
（5）空间电磁场一般不影响工作，抗干扰，但仍需屏蔽；
http://wenku.baidu.com/view/5ad7b5f67c1cfad6195fa73a.html
IC
VH
I
B
通电电流
（ⅱ）导线贯串磁芯法
如果用铁磁材料做成磁导体的铁芯，使被测通电导线贯串 它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中， 这样，可以通过环形铁芯集中磁力线，如下图所示。
当导线中有电流流通时， 导线周围产生磁场，使导磁 体铁芯磁化成暂时性磁铁， 在环形气隙中就会形成一个 磁场，导体中的电流越大， 气隙处的磁感应强度就越大， 霍尔元器件输出的霍尔电压 I VH就越大。可以通过霍尔电 压检测到导线中的电流。这 种方法可以提高电流测量的 精度。
②利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖
层厚度测量
磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非 磁性涂层的厚度测量。 例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷 等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。
SL3501M
永磁体
U型铁心
磁回路
将U型硅钢片 铁芯中间断开，然 后将SL3501M霍尔 线性集成传感器和 一片钕铁硼永磁体 夹在中间，用502 胶粘牢。
传感器技术-第5章 磁电式传感器
3、非线性误差
根据可见，输入v与输出e是原理线性的。但在实际情况 下，存在着非线性状况。
N和l 不会产生变化，非线性来自B。
A、 边沿效应，磁场作不到绝对均匀，尤其在边沿 部分，磁力线的弯曲现象比较明显。
使用软铁，减小工作气隙，可以改进磁场均匀。 B、 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φ I，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。
1、工作原理
恒定磁通式磁电感应式传感器是利用线圈切割磁 力线形成感生电动势的原理制成的。
即：线圈与磁场发生了相对位移。
两种情况：线圈运动或者磁场运动。分别称为： 动圈式和动铁式。
一
磁电感应式传感器
v
弹簧
弹簧
v
线圈
N
壳体
N S
永 久 磁 铁
S
壳体
动圈式
动铁式
恒定磁通式磁电传感器结构原理图 A、 组成类似； B、 动圈、动铁是相对与壳体而言； C、 所用弹簧为软弹簧，运动部件质量相对较大；
C、 振动频率远远大于传感器的固有频率时：传感器的内阻 R的值会逐渐增大，（ R jL），灵敏度随振动频率的增加而减 小。 不同结构的恒定磁通磁电感应式传感器的工作频率存在差异，一 般范围为几十～几百赫兹。最低10Hz，最高2kHz。
传感技术 第5章 磁电式传感器
5.3 霍尔传感器
由于材料电阻率ρ与载流子浓度和其迁移率μ有关，即 1 ne
则 RH
则 RH
5.3 霍尔传感器
RH
UH
IB d
金属材料电子μ很高但ρ很小； 绝缘材料ρ很高但μ很小;
故为获得较强霍尔效应，半导体材料为最佳霍 尔传感器的材料。
半导体的电子迁移率远大于空穴，所以N型半 导体居多。
Ri：控制电流级间的电阻值。 Ro：霍尔元件电极间的电阻。
3、不平衡（不等位）电势U0：
在额定控制电流I下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔 电势。
5.3 霍尔传感器
产生不平衡电势现象的原因有： ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不
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、
5.3 霍尔传感器
图 霍尔电压形成的定性说明 (a)磁场为0时电子在半导体中的流动； (b)电子在洛伦兹力作用下发生偏转； (c)电荷积累达到平衡时,电子流动方向。
第5章 磁电式传感器
Media
Disk
GMR Head Detail
MR & GMR
Animation for detail
GMR Head Detail
GMR in motion
读取数据时，磁头和盘片发生相对运动，金属切割磁力线， 金属中会产生“感应电势”，由于线圈处在一个闭合回路当 中，因此线圈中的感应电势会进一步转变为“感应电流”， 感应电流的方向就代表了磁记录位的磁场的方向。
Evolution of Magnetic Read/Write Sensors
巨磁电阻效应与诺贝尔奖
w的控制电极①和②之间通直流电流Ic, 而在垂直于半导体薄 片表面的方向加磁感应强度B时, 则在长度为l的电极③和④ 之间根据式(5.4)的原理产生霍尔电压。
图 霍尔效应的原理图
图
(a)磁场为0时电子在半导体中的流动;
(b)电子在劳伦兹力作用下发生偏转; (c)电荷积累达到平衡时, 电子在流动
假设霍尔元件使用的材料是 N 型半导体 , 导电的载
在平衡时霍尔电场e对电子的作用力与劳伦兹力大小相等方向相反而相互平衡即59所以霍尔电场强度的大小为510这一电场在电极到方向建立霍尔电压u511512在电子浓度为n时有513514vbw516517518在n型材料中称为霍尔灵敏度或乘积灵敏度单位为mvmat它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小
磁电式传感器
2021/8/1
36
霍尔式接近开关用于转
速测量演示
n= 60 f
4
(r/min)
T
软铁分流翼片
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开关型霍尔IC
37
5.6 其他磁敏传感器
1. 磁敏电阻器
1) 磁敏效应：将一载流导体置于外磁场中， 其电阻值随磁场而变化的现象称为“磁敏 电阻效应”，简称“磁阻效应”。
2) 磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏 元件。
VH(RH/d)IB f(l/b)sin
2021/8/1 其中 f(l/b ： )形状效应l/b 系 比数 值， 的 33
5.5 霍尔传感器 Hall sensor
3. 霍尔元件的主要特性：
1) 额定激励电流IH：通常定义使霍尔片温升 100C时所施加的电流值为额定激励电流IH。
2) 不等位电势及其补偿：当磁感应强度为零， 元件通以额定激励电流IH时，霍尔电极间 的空载电势称为不等位电势，或者叫零位 电势。
▪ 措施：热磁温度补偿（见图5-8）
2021/8/1
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3. 永久磁铁的稳定性 Stablity of permanent magnet
当测量电路的输入电阻Rf＞＞R时，永久磁铁的稳定 性将成为误差的决定因素。因为永久磁铁的磁通量密 度的稳定性直接影响工作气隙中磁通量密度的稳定性。
几种稳磁处理措施：
第5章 霍尔式传感器(西理工传感器原理及应用课件)
它是安装在各种电动或气动阀门上的传感器，用来 测量各种阀门的开关状态，是目前一些大中型化 工企业急需的电子产品。
5.位置传感器或行程开关
广泛应用于无刷直流电机，活塞位置，齿轮位置，齿轮转 速，阀门位置，磁盘速度，磁带转速，流速感应，速度感 应等领域
6.机械运动方向传感器（即辩向电路）
只不过用霍尔开关取信号。
1.直流功率测量仪
如果在霍尔元件控制电 流端通入的电流为 Ic=K1I，K1为一比例系 数，I为通过负载RL的 电流。而用一比例于负 载RL电压降V的电压Vm 来激励磁场，即 B=K2Vm=K2V，则 霍尔元件的输出电压为
VH R H Ic B d RH d K 1 K 2 IV K P
7.机械运动时间传感器（或叫快慢传感器） 8.新型机器人
(三)注意事项
1.为了保证霍尔开关可靠工作，外加磁场应足够强。在考 虑到温度变化和器件参数离散性等因素的影响，磁感 应强度应比BOP的最大值再增加20%~30%。 2.施加磁场的方式有两种。可用靠近式。也可霍尔元件和 磁场都固定，在被测物上固定一块小铁片，当铁片运 动到磁钢与霍尔电路之间时，将磁力线短路。 3.安装霍尔器件时，应把其敏感面（即有型号的面）对着 磁钢的相对极。即S型对着磁钢的S极面，N型对着磁 钢的N极面。 4.安装时以免损坏，焊接温度也不要太高。
五、线性霍尔电路的应用
5.位置传感器或行程开关
广泛应用于无刷直流电机，活塞位置，齿轮位置，齿轮转 速，阀门位置，磁盘速度，磁带转速，流速感应，速度感 应等领域
6.机械运动方向传感器（即辩向电路）
只不过用霍尔开关取信号。
1.直流功率测量仪
如果在霍尔元件控制电 流端通入的电流为 Ic=K1I，K1为一比例系 数，I为通过负载RL的 电流。而用一比例于负 载RL电压降V的电压Vm 来激励磁场，即 B=K2Vm=K2V，则 霍尔元件的输出电压为
VH R H Ic B d RH d K 1 K 2 IV K P
7.机械运动时间传感器（或叫快慢传感器） 8.新型机器人
(三)注意事项
1.为了保证霍尔开关可靠工作，外加磁场应足够强。在考 虑到温度变化和器件参数离散性等因素的影响，磁感 应强度应比BOP的最大值再增加20%~30%。 2.施加磁场的方式有两种。可用靠近式。也可霍尔元件和 磁场都固定，在被测物上固定一块小铁片，当铁片运 动到磁钢与霍尔电路之间时，将磁力线短路。 3.安装霍尔器件时，应把其敏感面（即有型号的面）对着 磁钢的相对极。即S型对着磁钢的S极面，N型对着磁 钢的N极面。 4.安装时以免损坏，焊接温度也不要太高。
五、线性霍尔电路的应用
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。
传感器第5章
通常β>>α，则
RP
Ri0
图5-10 采用恒流源及输入并联电 阻的温度补偿电路
第二节 霍尔式传感器
2．合理选取负载电阻RL的阻值 霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电动势UH都是温度的函数（设为正温
度系数），当霍尔元件接有负载RL （如放大器的输入电阻）时，在RL上
的电压为
RLU H 0 [1 (t t 0 )] UL RL Ro 0 [1 (t t 0 )]
一、磁栅 (一) 磁栅的结构
图5-19 磁栅的结构 1-磁栅基体 2-磁性薄膜
第四节 磁栅式传感器
(二) 磁栅的类型
磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，前者用于测量直线位移，后 者用于测量角位移。
图5-20 长磁栅 a) 尺型 b) 带型 c) 同轴型
第四节 磁栅式传感器
圆磁栅传感器如图5-21所示。磁盘1的圆柱面上的磁信号由磁头3
式中，Rσ—气隙磁阻； RT—铁心磁阻。
第四节 磁栅式传感器
一般情况下，可以认为Rσ不变，RT则与励磁线圈所产生的励磁磁通
1有关。铁心P、Q两段的截面很小，在励磁电压u变化的一个周期内，
铁心被励磁电流所产生的磁通1饱和两次，RT变化两个周期。由于铁心
饱和时其RT很大，2不能通过，因此在u的一个周期内，2也变化两个
第一节 磁电感应式传感器
第五章_电压型传感器
在z方向上：无任何压电效应。
图5-2-5 石英晶体的压电效应
二、压电陶瓷
压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体（由无数细 微的单晶组成）铁电体（具有类似铁磁材料磁畴的电畴结 构）压电材料。 每个单晶形成一单个电畴； 无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，极化相互抵消， 呈中性。
施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场 方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外 电场一致。 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度 很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时 是非压电体。 对于压电陶瓷，通常将极化方向定义为Z轴，垂直于Z轴 的平面内则各向同性，与Z轴垂直的任何正交方向都可取 做x和y轴，且压电特性相同。
产生的 lb l d F d F 电荷量 Q x 12 y 11 y
bh
h
图5-2-3 石英晶片上电荷极性与受力方向的关系
5.2.2 常用压电材料 具有压电效应的电介质称为压电材料。 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，迄 今已出现的压电材料可分为三种类型：
① 压电晶体（单晶），包括压电石英晶体和其他压电 单晶； ② 压电陶瓷（多晶半导瓷）； ③ 新型压电材料，压电半导体和有机高分子压电材料。 目前国内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。
压电效应是可逆的
在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。 • 所以压电元件可以将机械能——转化成电能
图5-2-5 石英晶体的压电效应
二、压电陶瓷
压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体（由无数细 微的单晶组成）铁电体（具有类似铁磁材料磁畴的电畴结 构）压电材料。 每个单晶形成一单个电畴； 无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，极化相互抵消， 呈中性。
施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场 方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外 电场一致。 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度 很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时 是非压电体。 对于压电陶瓷，通常将极化方向定义为Z轴，垂直于Z轴 的平面内则各向同性，与Z轴垂直的任何正交方向都可取 做x和y轴，且压电特性相同。
产生的 lb l d F d F 电荷量 Q x 12 y 11 y
bh
h
图5-2-3 石英晶片上电荷极性与受力方向的关系
5.2.2 常用压电材料 具有压电效应的电介质称为压电材料。 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，迄 今已出现的压电材料可分为三种类型：
① 压电晶体（单晶），包括压电石英晶体和其他压电 单晶； ② 压电陶瓷（多晶半导瓷）； ③ 新型压电材料，压电半导体和有机高分子压电材料。 目前国内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。
压电效应是可逆的
在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。 • 所以压电元件可以将机械能——转化成电能
传感器唐文彦5磁电式传感器
磁电式传感器01.exe
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8
二.应用
1.振动速度传感器
动圈式
绝对速度 传感器
永磁铁2与传感器外壳随被测物体振动； 线圈7、阻尼环和芯杆5组件由于惯性而 不随之振动，线圈切割磁感应线。
11cgq05_1
9
相对速度传感器
磁钢与外壳随被测物体振动（刀架）； 顶杆、线圈组件接工件； 线圈切割磁感应线。
11cgq05_1
40
霍尔转速表的其他安装方法 霍尔元件
磁铁
只要黑色金属旋转体的表面存在缺口 或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而 引起霍尔电势的变化，产生转速信号。
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41
霍尔集成电路
集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺 将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传 感器。它取消了传感器和测量电路之间的界 限，实现了材料、元件、电路三位一体。集 成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点， 因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体 积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱 到众的重视。
1）金属材料中自由电子浓度n很高，RH很小，使得输出霍 尔电动势UH很小，不宜作霍尔元件
2）一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件一般采 用N型半导体材料。
3）d 愈小，KH 愈大， UH愈大，所以霍尔元件的厚度都比 较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。
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二.应用
1.振动速度传感器
动圈式
绝对速度 传感器
永磁铁2与传感器外壳随被测物体振动； 线圈7、阻尼环和芯杆5组件由于惯性而 不随之振动，线圈切割磁感应线。
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相对速度传感器
磁钢与外壳随被测物体振动（刀架）； 顶杆、线圈组件接工件； 线圈切割磁感应线。
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霍尔转速表的其他安装方法 霍尔元件
磁铁
只要黑色金属旋转体的表面存在缺口 或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而 引起霍尔电势的变化，产生转速信号。
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霍尔集成电路
集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺 将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传 感器。它取消了传感器和测量电路之间的界 限，实现了材料、元件、电路三位一体。集 成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点， 因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体 积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱 到众的重视。
1）金属材料中自由电子浓度n很高，RH很小，使得输出霍 尔电动势UH很小，不宜作霍尔元件
2）一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件一般采 用N型半导体材料。
3）d 愈小，KH 愈大， UH愈大，所以霍尔元件的厚度都比 较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。
第5章 磁电式传感器 3
磁路 线圈
椭圆铁磁 旋转体
式中： ω 椭圆磁铁角速度 B 磁通密度差（最大与最小之差） A 线圈截面积 W 线圈匝数
软铁
永久磁铁
由上式可见 感应电动势 e 与椭圆铁磁旋转体在磁 场气隙中转动角速度ω 成函数关系
N
S
旋转型闭磁路变磁通 磁电感应式传感器结构图 10
二、磁电式传感器的误差分析（定性）
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： 传感器线圈电流 i 变化产生的附加磁通Φi 叠加于永久磁铁产生的气隙 磁通 Φ上， Φi与 Φ方向相反，使恒定磁通Φ变化， 如下图所示。
24
25
磁电感应式转速传感器的结构原理
如图所示。当安装在被测转轴上的 齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次 通过永久磁铁两磁极间的间隙，从 而在线圈上感应出频率和幅值均与 轴转速成比例的交流电压信号u0。
由于感应电压与磁通φ的变化率成
比例，即
d u0 W dt (W是线圈匝数）
故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅 值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。 为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。
定子（永久磁铁）
N
线圈
S
A
A-A
定子
ω e ～
A
被测轴
转子
磁电式测扭矩传感器结构简图
椭圆铁磁 旋转体
式中： ω 椭圆磁铁角速度 B 磁通密度差（最大与最小之差） A 线圈截面积 W 线圈匝数
软铁
永久磁铁
由上式可见 感应电动势 e 与椭圆铁磁旋转体在磁 场气隙中转动角速度ω 成函数关系
N
S
旋转型闭磁路变磁通 磁电感应式传感器结构图 10
二、磁电式传感器的误差分析（定性）
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： 传感器线圈电流 i 变化产生的附加磁通Φi 叠加于永久磁铁产生的气隙 磁通 Φ上， Φi与 Φ方向相反，使恒定磁通Φ变化， 如下图所示。
24
25
磁电感应式转速传感器的结构原理
如图所示。当安装在被测转轴上的 齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次 通过永久磁铁两磁极间的间隙，从 而在线圈上感应出频率和幅值均与 轴转速成比例的交流电压信号u0。
由于感应电压与磁通φ的变化率成
比例，即
d u0 W dt (W是线圈匝数）
故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅 值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。 为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。
定子（永久磁铁）
N
线圈
S
A
A-A
定子
ω e ～
A
被测轴
转子
磁电式测扭矩传感器结构简图
第5讲3 磁电式传感器
第五讲 物性型传感器 5.3 磁电式传感器
主讲：何惠芳 QQ：3689 4632
۩磁电感应式传感器（课本P57）
磁电式传感器是利用磁电作用（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。 一般分为两种： 磁电感应式——导体和磁场发生相对运动产生感应电
动势的； 霍尔式——载流半导体在磁场中有电磁效应（霍尔效 应）而输出电动势。
۩磁电感应式传感Байду номын сангаас（课本P57）
不需要供电电源，就能直接从被测物体吸取机械能量 并转换成易于测量的电信号输出，是有源传感器。 由于具有电路简单、性能稳定和输出阻抗小等特点， 又具有一定的频率响应范围（10～1000 Hz）,适用于 振动、转速和转矩等的测量，得到普遍应用。
۩磁电感应式传感器工作原理（课本P57）
磁场强度与输出电压关系
空气间隙与输出电压关系
۩集成霍尔器件的应用
UGN3501M为差动输出，输出与磁场强度成线性。 UGN3501M的1、8两脚输出与磁场的方向有关，当磁场的 方向相反时，其输出的极性也相反，如图所示。
UGN3501M的输出与磁场方向关系
۩集成霍尔器件的应用
UGN3501M的5、6、7脚接一调整电位器时，可以补偿不 等位电势，并且可改善线性，但灵敏度有所下降。若允许一 定的不等位电势输出，则可不接电位器。输出特性如图所示。
主讲：何惠芳 QQ：3689 4632
۩磁电感应式传感器（课本P57）
磁电式传感器是利用磁电作用（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。 一般分为两种： 磁电感应式——导体和磁场发生相对运动产生感应电
动势的； 霍尔式——载流半导体在磁场中有电磁效应（霍尔效 应）而输出电动势。
۩磁电感应式传感Байду номын сангаас（课本P57）
不需要供电电源，就能直接从被测物体吸取机械能量 并转换成易于测量的电信号输出，是有源传感器。 由于具有电路简单、性能稳定和输出阻抗小等特点， 又具有一定的频率响应范围（10～1000 Hz）,适用于 振动、转速和转矩等的测量，得到普遍应用。
۩磁电感应式传感器工作原理（课本P57）
磁场强度与输出电压关系
空气间隙与输出电压关系
۩集成霍尔器件的应用
UGN3501M为差动输出，输出与磁场强度成线性。 UGN3501M的1、8两脚输出与磁场的方向有关，当磁场的 方向相反时，其输出的极性也相反，如图所示。
UGN3501M的输出与磁场方向关系
۩集成霍尔器件的应用
UGN3501M的5、6、7脚接一调整电位器时，可以补偿不 等位电势，并且可改善线性，但灵敏度有所下降。若允许一 定的不等位电势输出，则可不接电位器。输出特性如图所示。
磁电式传感器课件
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
eWBsLinv
eWBsLinv
eW B siA n t
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。
有磁场：UH >开启阈值，
VT 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
工作特性
BBOP高低，开状态 BBRP低高，关状态
BO P—— 工作点“开” BRP—— 释放点“关” BH —— 磁滞
UOU（ T V）
12
ON
10
8
6
OFF
4
2
0
BRP BH BOP
同学们好！
1
1 磁电式传感器 2 磁敏式传感器
2
1 磁电式传感器
一、工作原理
根据电磁感应定律，当w 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 W d dt
根据这一原理，可设计成两种结构：
动圈式
动铁式
4
恒磁通式磁电传感器的结构原理图
eWBsLinv
eWBsLinv
eW B siA n t
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。
有磁场：UH >开启阈值，
VT 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
工作特性
BBOP高低，开状态 BBRP低高，关状态
BO P—— 工作点“开” BRP—— 释放点“关” BH —— 磁滞
UOU（ T V）
12
ON
10
8
6
OFF
4
2
0
BRP BH BOP
同学们好！
1
1 磁电式传感器 2 磁敏式传感器
2
1 磁电式传感器
一、工作原理
根据电磁感应定律，当w 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 W d dt
根据这一原理，可设计成两种结构：
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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
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
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。
图b为闭磁路变磁通式, 它由装在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。
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、金属骨架等组成。
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。
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
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
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。
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。
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
U0Leabharlann Baidu 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