第五章 磁电式传感器

第五章 磁电式传感器
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。 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,
具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以得到
变磁通式传感器对环境条件要求不高，温度范围-150~+90， 可以在油、水雾、灰尘等条件下工作。 磁电感应式传感器只适用于动态测量。
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。
感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相
位差与扭转轴的扭转角成正比。 这样传感器就 可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。
第二节
霍尔式传感器
一、工作原理
1. 霍尔效应 将金属或半导体薄片置于磁场B中，当有电流通 过时，在垂直于电流与磁场的方向上产生霍尔电 势UH。此现象为霍尔效应。
U H KH IB
(二)霍尔元件
由霍尔片、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
基本电路
RW调节控制 电流的大小。
RL为负载电 阻，可以为 放大器的内 阻或指示器 内阻。 霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I、 即可以是直流，也可以是交流。
4．采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等)
a)输入回路串接热敏电阻，b)输入回路并接电阻丝
热敏电阻具有负的温度系数 电阻丝具有正温度系数 Abc霍尔元件为锑化铟，霍尔输出具有负温度系数
c)输出回路串接热敏电阻，d)输入回路并接热敏电阻
d中霍尔输出具有正温度系数
5．霍尔元件不等位电势 U 0 的温度补偿
普遍应用。
定义 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。 直接将机械能转换为电能，是有源传 感器。
第一节 磁电感应式传感器
一、类型及其工作原理
电磁感应定律
分类：恒定磁通式：动圈式、动铁式 变磁通式：开磁路、闭磁路
N

S
N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在
①霍尔元件处于中间 位置位移Δx=0时，由 于B=0，所以UH=0 ②霍尔元件左、右移, Δx ≠ 0，合成磁感应强 度B≠0， UH ≠ 0
U H kH IB kH IB( x) kH Ik0 x kx
(二)霍尔式压力传感器
f Z n / 60
当齿轮的齿数Z确定以后，若能测出f就可求出转 速n(n＝60f／z)。 这种传感器结构简单，但输出信号小，转速 高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合， 往往采用闭磁路。
闭磁路变磁通式
f n / 30 f Z n / 60
1-被测旋转体，2-测量齿轮，3-线圈，4-软铁，5-永久磁铁
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
d e N 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 通式磁电传感器。用于测量振动及线速度。
e BvlN0
N B工作气隙磁感应强度，V运动速度，L每砸线圈平均长度， 0 工作匝数
正负电极之间形成电势为霍尔电势。
fl f E UH E b
E vB U H bvB
b-薄片的宽度，d-厚度
I I nevbd v n-单位体积中的电子数 bdne N电子浓度 IB RH UH IB K H IB ned d
RH 霍尔系数 kH
kHt kH 0[1 (t t0 )]
Rit Ri 0 [1 (t t0 )]
因为
霍尔元件灵敏度温度系 数， 元件电阻的温度系
数
I IP IH
I P RP I H Ri
因此
RP I IH RP Ri
温度
t0 时
IH 0 RP 0 I RP 0 Ri 0
RP Ri 0
2．合理选取负载电阻 RL 的阻值
RLU H 0 [1 (t t0 )] UL RL Ro 0 [1 (t t0 )]
dU L 0 使 d (t t0 )
得
RL Ro 0 1
3．采用恒压源和输入回路串联电阻
e BlN0v
式中: B——工作气隙磁感应强度;
l ——每匝线圈平均长度;
N 0 ——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
RH 1
ne
由载流材料的物理性质决定
灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关
kH RH / d
RH
霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁 移率μ的乘积。若要霍尔效应强, 则RH值大, 因此 要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。

一般金属材料载流子迁移率很高, 但电阻率 很小; 而绝缘材料电阻率极高, 但载流子迁移率极 低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。
二、设计要点 1.工作气隙
d 1 ld 4
d工作气隙，l工作气隙宽度
2．永久磁铁 使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上。 3．线圈组件 在高精度传感器中，线圈磁场效应不能忽 略，采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。
三、 磁电感应式传感器的应用
1. 动圈式振动速度传感器
1、8-圆形弹簧片，2-圆环形阻尼器，3-永久磁铁，4-铝架，5-心轴，6-工作线圈，7-壳体，9-引线
二、霍尔元件的误差及其补偿 产生误差的原因：一是制作工艺、制作水平的 限制。二是外界温度的影响。 （1）不等位电势U0及其补偿
B=0，I≠0，UH=U0 ≠0。 U0 为不等位电势。 产生原因：
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 尺寸不均匀; ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
灵敏度系数，表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电动势的大小
电子在磁场中受洛伦兹力作用（右手螺旋定则）
f l e(v B )
电子向极板一 方偏转，积累 电子。一边积 累负电子，另 一边积累正电 荷，形成电场。
其中e为电子电荷量 其中E为电场强度
电场力
当
f E eE
f E f l 时，电荷积累达到动态 平衡。
调节电位器Rp可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构 成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时，热敏电 阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节， 即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。
三、 霍尔式传感器的应用
（一） 霍尔式位移传感器
U H kx
K位移传感器灵敏度
工作原理 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。
2.磁电式扭矩传感器
两电极点不在 同一等电位面上
等电位面歪斜
不等位电势补偿方法：可以采用分析电阻的方法来
找到不等位电势的补偿方法。
霍尔元件等效电路
等效为四臂电桥
几种不等位电动势的补偿电路(并电阻)
不对称补偿简单，对称补偿温度稳定性好
2.寄生直流电势
当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔 输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量， 称为寄生直流电动势
温度为t时
I Ht
RP RP I I RP Rit RP Ri 0 [1 (t t0 )]
为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证
kH 0 I H 0 B kHt I Ht B
将有关式代入可得
RP Ri 0
通常霍尔元件的灵敏度温度系数远小于元件 的电阻温度系数，因此
原因：
①由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而
形成整流效应;
②两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同 引起温差所产生的。 因此，元件在制作安装时，尽量使电极欧姆连 接，并做到散热均匀，有良好的散热条件。
（二） 霍尔元件温度误差及补偿
霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们 的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化 时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍 尔系数都将发生变化,致使霍尔电动势变化，产生 温度误差。
v N L
e
S
（一）恒定磁通式
动圈式
动铁式
恒磁通式磁电传感器由永久磁铁、线圈、弹簧 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（（a））和动 铁式（ (b)）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