第七章 磁电式传感器PPT课件
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《电感式传感器》课件
电感式传感器的应用领域
介绍电感式传感器在工业、农业、医疗等领域的广 泛应用。
电感式传感器的优缺点分析
分析电感式传感器的优点、缺点以及与其他类型传 感器的比较。
电感式传感器的应用案例
1
电感式传感器在工业领域的应用
案例
电感式传感器在农业领域的应用 案例
2
讲述一个实际案例，介绍电感式传感器 在工业生产中的应用。
介绍电感式传感器按照不同 的特征进行的分类。
电感式传感器的结构与工作原理
电感式传感器的结构
详细解释电感式传感器的内部结 构和组成。
电感式传感器的工作原理
阐述电感式传感器是如何通过测 量磁场来实现检测和转换的。
电感式传感器的特点
列举电感式传感器相对于其他传 感器的优势和特点。
电感式传感器的应用及优缺点
《电感式传感器》PPT课 件
为您带来《电感式传感器》的PPT课件，本课件将全面介绍电感式传感器的概 述、结构与工作原理、应用及优缺点、应用案例、未来发展趋势等内容。
概述
传感器的定义
介绍传感器的定义以及在技 术领域中的关键作用。
电感式传感器的作用
说明电感式传感器在各个行 业中的重要作用。
电感式传感器的分类
以一个具体的场景，说明电感式传感器 在农业领域中的应用价值。
电感式传感器的未来发展趋势
1 电感式传感器的现状和发展趋势
描述电感式传感器目前的研究状况以及未来的发展趋势。
2 展望电感式传感器的发展前景
展望电感式传感器在未来的应用领域和发展前景。
总结
电感式传感器的重要性
总结电感式传感器在各个领域中的重要作用。
发展趋势展望
回顾并展望电感式传感器的未来发展趋势。
磁电式速度传感器课件
VS
集成化
集成化是未来传感器的一个重要发展趋势 ，通过将多个传感器元件集成在一个芯片 上，实现传感器的小型化、轻量化、低功 耗等特点，提高传感器的应用范围和性能 。
在新兴领域的应用前景
新能源汽车
随着新能源汽车的快速发展，磁电式速度传 感器在新能源汽车中的应用前景广阔，如用 于电机转速的检测、车辆速度的检测等。
机械结构设计
总结词
机械结构设计是磁电式速度传感器制造中的重要环节，它决定了传感器的精度、稳定性和使用寿命。
详细描述
在机械结构设计中，需要考虑到传感器的尺寸、重量、安装方式等因素，以确保传感器在实际应用中 的可靠性和稳定性。同时，还需要对传感器的材料、热处理等进行优化，以提高其机械性能和耐久性 。
磁路设计
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。
THANKS
感谢观看
新型绝缘材料
绝缘材料在磁电式速度传感器的制造 中起着重要作用，新型绝缘材料如氮 化硅、碳化硅等具有高绝缘性、低介 电损耗等特点，能够提高传感器的绝 缘性能和稳定性。
智能化与集成化的发展趋势
智能化
随着人工智能和物联网技术的发展，磁 电式速度传感器将逐渐实现智能化，具 备自适应、自学习、自诊断等功能，提 高传感器的工作效率和可靠性。
应用领域
汽车领域
用于发动机转速、车速、ABS 系统等速度检测。
航空领域
用于飞机轮速、滑行速度等速 度检测。
工业自动化领域
用于电机转速、机械传动速度 等速度检测。
其他领域
如医疗器械、环保设备等需要 进行速度检测的领域。
磁电感应式传感器
传感器与检测技术
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 利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出。它 的工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸收机械能量并转换成
传感器。由于这种传感器电路简单，性能稳定，输出功率较大，输出 阻抗小，一般不需要高增益放大器，用一般的放大器即可，因而大大 简化了配用的二次仪表电路。它还具有一定的频率响应范围（一般为 10~1 000 Hz），适用于振动、位移、转速、扭矩等参数的测量。这 种传感器在各工程系统中获得了较普遍的应用。其缺点是传感器的尺 寸和质量都较大。
e=－B0lW0v 1-2） 式中，B0为工作气隙磁感应强度；W0为线圈处于工作气隙磁 场中的匝数，称为工作匝数；l为每匝线圈的平均长度。
磁电感应式传感器
四、 动铁式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动速度传感器的应用
图1-3所示为动铁 式振动速度传感器的结 构图，它是一种惯性式 传感器，其活动质量是 一个由上下两个圆柱形 弹簧支承的活动磁钢。
图1-3 动铁式振动速度传感器的结构
磁电感应式传感器
磁钢在一内壁经镀铬研磨的不锈钢导向套筒中活动，磁钢大 多选用铸造铝镍钴永磁合金。磁钢两端各压入一个越磨越光的金 钯合金套环，因此，当磁钢在套筒中滑动时，摩擦极小，有利于 传感器敏感小的振动。磁钢套筒的两端用两个堵头焊封，使磁钢 弹簧和堵头成为不可拆的整体。
两个线圈绕在非导磁性金属（无磁不锈钢）骨架上，并与壳 体固连。骨架内壁固定着导向套筒，套筒与线圈骨架都起电磁阻 尼作用。线圈用高强度漆包线绕制，两个线圈的连接应保证其产 生的电动势为相加。为提高耐温绝缘强度，线圈上浸渍一层无机 绝缘材料。
磁电感应式传感器
在传感器壳盖上焊有一插座，插座上引有两根合金导电丝。 插座与合金导电丝均选用膨胀合金4J29，并用热膨胀系数相近的 玻璃粉在高温下烧结，使之相互熔封在一起，起到了良好的密封 和绝缘作用。
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 利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出。它 的工作不需要外加电源，而是直接从被测物体吸收机械能量并转换成
传感器。由于这种传感器电路简单，性能稳定，输出功率较大，输出 阻抗小，一般不需要高增益放大器，用一般的放大器即可，因而大大 简化了配用的二次仪表电路。它还具有一定的频率响应范围（一般为 10~1 000 Hz），适用于振动、位移、转速、扭矩等参数的测量。这 种传感器在各工程系统中获得了较普遍的应用。其缺点是传感器的尺 寸和质量都较大。
e=－B0lW0v 1-2） 式中，B0为工作气隙磁感应强度；W0为线圈处于工作气隙磁 场中的匝数，称为工作匝数；l为每匝线圈的平均长度。
磁电感应式传感器
四、 动铁式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动速度传感器的应用
图1-3所示为动铁 式振动速度传感器的结 构图，它是一种惯性式 传感器，其活动质量是 一个由上下两个圆柱形 弹簧支承的活动磁钢。
图1-3 动铁式振动速度传感器的结构
磁电感应式传感器
磁钢在一内壁经镀铬研磨的不锈钢导向套筒中活动，磁钢大 多选用铸造铝镍钴永磁合金。磁钢两端各压入一个越磨越光的金 钯合金套环，因此，当磁钢在套筒中滑动时，摩擦极小，有利于 传感器敏感小的振动。磁钢套筒的两端用两个堵头焊封，使磁钢 弹簧和堵头成为不可拆的整体。
两个线圈绕在非导磁性金属（无磁不锈钢）骨架上，并与壳 体固连。骨架内壁固定着导向套筒，套筒与线圈骨架都起电磁阻 尼作用。线圈用高强度漆包线绕制，两个线圈的连接应保证其产 生的电动势为相加。为提高耐温绝缘强度，线圈上浸渍一层无机 绝缘材料。
磁电感应式传感器
在传感器壳盖上焊有一插座，插座上引有两根合金导电丝。 插座与合金导电丝均选用膨胀合金4J29，并用热膨胀系数相近的 玻璃粉在高温下烧结，使之相互熔封在一起，起到了良好的密封 和绝缘作用。
磁电式传感器
➢如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理 可得UH＝IB/ped。
➢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。
➢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。
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(1)
个高梯度磁场，磁场梯度可达1T/mm，灵敏度较高， 但其可测量的位移量特别小，一般 z 0.5mm。
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
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
第7章磁电式传感器和霍尔传感器
达到平衡时, f 洛 f电 qvB qEH q
I
UH EH
f电=qEH
v
UH b 霍尔电势 : U H bvB
d
+ + + + + + + + + l
霍尔电势 : U H bvB
又I j bd nev bd ( j指I的电流密度) I v nebd
d I b
说明:
1.I已知，测出UH就可测出B(磁敏元件)。
4
2.灵敏度K H
(1) d小
1 RH / d的讨论 : ned
K H 大(故霍尔传感器做成薄片) Ri 和Ro大(但这2个值小些好, 参见霍尔元件特性)
(2) R 大 K 大。 H H
又
RH
金属 : 大, 很小 RH 小 绝缘体 : 大, 很小 RH 小 故一般选半导体做为霍尔传感器的材料。
B - - - - - - - - f洛=qvB
f电=qEH
v
I
UH
EH
I IB U H bB nebd ned 1 1 令霍尔系数 : RH , 灵敏度 : K H RH / d , 则 ne ned
IB U H RH K H IB d
+ + + + + + + + + l
第7章
磁电式传感器和霍尔传感器
磁电式传感器：测量对象是力学量，属力敏元件。 霍尔传感器：测量对象是磁场，属磁敏元件。
总之，这两种传感器是属于不同的传感器。
1
7.1 磁电式传感器
传感器(第6版) PPT课件第7章
第二节 光电器件
一、热探测器 原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器， 它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应， 尤其适用于红外的探测。 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当 有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度 的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。
第一节 光源
四、激光器 激光产生的过程： ➢某 些 物 质 的 分 子 、 原 子 、 离 子 吸 收 外 界 特 定 能 量 （ 如 特 定 频 率 的 辐 射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； ➢如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反 转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射 出与激发光子频率相同的光子（受激发射）； ➢由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为 光的受激辐射放大。 ➢具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
传 感 器（第6版）
哈尔滨工业大学 唐文彦 主编
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
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第七章 光电式传感器
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线
第一节 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
磁电式传感器
磁电式传感器基本概念：磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。
它能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。
工作原理：磁电式传感器是基于电磁感应原理,通过磁电相互作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电动式传感器。
根据电磁感应定律，N匝线圈中的感应电动势。
感应电动势的大小由磁通的变化率决定。
磁通量协的变化可以通过很多办法来实现:如磁铁与线圈之间作相对运动;磁路中磁阻变化;恒定磁场中线圈面积变化等。
因此可以制造出不同类型的磁电式传感器。
磁电式传感器是一种机一电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围，适合于振动、转速、扭矩等测量。
但这种传感器的尺寸和重量都较大。
恒定磁通磁电式传感器由永久磁铁(磁钢)、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。
系统产生恒定直流磁场，磁路中工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。
它们的运动部件可以是线圈，又可分为圈式或动铁式两种结构类型。
恒磁通磁电式传感器结构原理图磁铁与传感器壳体固定，线圈和金属骨架(合称线圈组件)用柔软弹簧支承。
线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。
两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。
动圈式和动铁式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，因此振动频率足够高(远高于传感器的固有频率)时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，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。
线圈与磁铁间相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度成正比的感应电动势，线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数;工作气隙中磁感应强度;每匝线圈的平均长度。
这类传感器的基型是速度传感器，能直接测量线速度。
磁敏式传感器 ppt课件
第7章
磁敏式传感器
1
主要内容
7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器
2
3
7.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器又称感应式或电动式传感器， 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，是一种有源传感器
7
变磁通式磁电传感器（用于角速度测量）
43 2 1 NS
31 7
A 6
A
5
5
6
(a)
(b)
主要靠改变磁路的磁通大小进行测量，即改变磁路的磁阻
8
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，随被测体一起转动。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上齿数的 乘积。
传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过 而发热。
12
测量误差
当传感器的工作温度发生变化或受到外 界磁场干扰、受到机械振动或冲击时， 其灵敏度将发生变化，从而产生测量误 差，其相对误差为：
dSI dBdLdR
SI B L R
SI
I0 v
NBL RRf
即其测量误差来源于B、L、R三个方面
10
7.1.2
当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电
流Io为：
I0
E RRf
NBLv RRf
式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。
I0
传E
感
器R
指示器
Rf
传感器的电流灵敏度为
磁敏式传感器
1
主要内容
7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器
2
3
7.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器又称感应式或电动式传感器， 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，是一种有源传感器
7
变磁通式磁电传感器（用于角速度测量）
43 2 1 NS
31 7
A 6
A
5
5
6
(a)
(b)
主要靠改变磁路的磁通大小进行测量，即改变磁路的磁阻
8
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，随被测体一起转动。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上齿数的 乘积。
传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过 而发热。
12
测量误差
当传感器的工作温度发生变化或受到外 界磁场干扰、受到机械振动或冲击时， 其灵敏度将发生变化，从而产生测量误 差，其相对误差为：
dSI dBdLdR
SI B L R
SI
I0 v
NBL RRf
即其测量误差来源于B、L、R三个方面
10
7.1.2
当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电
流Io为：
I0
E RRf
NBLv RRf
式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。
I0
传E
感
器R
指示器
Rf
传感器的电流灵敏度为
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第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
Magneto electric sensors 主要内容： 掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了 解其应用； 掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路； 能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。
11
第7章 磁电式传感器
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电 信号的传感器。 磁电式传感器有 磁电感应式传感器
系为：
0 z
式中：z为传感器定子、转子的齿数。
19
第7章 磁电式传感器
7.2 霍尔式传感器
工作原理：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。
磁场 电压UH
特点：霍尔传感器具有体积小、无触点、可靠性高、使用寿 命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。
应用：霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛 应用到工业、汽车业、电脑、手机、电机以及新兴消费电子领 域。
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)
禁带宽度 电阻率
Eg/(eV) /(Ω·cm)
0.66
1.0
1.107
1.5
0.17
0.005
0.36
110
第7章 磁电式传感器 翻盖或滑盖手机中的应用
用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器 在滑盖手机中，在上盖对应的位置有 一个磁铁，霍尔传感器就在磁铁对应 的主板正面或反面，用磁铁来控制霍 尔传感器信号的输出。
当合上滑盖时，传感器输出低电平作
为中断信号到CPU，强制手机退出 当打开滑盖时，传感器输出
正在运行的程序；
高电平，手机解锁，接通正
在打入的电话。
111
第7章 磁电式传感器
112
第7章 磁电式传感器
7.2.1 霍尔效应及霍尔元件
1.霍尔效应 把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，
沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间
产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。
第7章 磁电式传感器
特点：结构简单、但输出信号小，高速轴上加装齿轮较危险， 当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。 在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。
15
第7章 磁电式传感器 闭磁路变磁通式转速传感器 结构：由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号
5g
m
0.1～1000 k
1.9
精度
≤10％
外形尺寸 质量
45mm×160 mm
0.7 kg
18
第7章 磁电式传感器
3．扭矩测量
当转轴不受扭矩时，两线圈输出
Байду номын сангаас
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 0 。
扭转角 与感应电动势相位差的关
霍尔式传感器
12
第7章 磁电式传感器
7.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器工作原理是发电机原理。利用导体和磁场 发生相对运动产生感应电势。
被测量 感应电动势e
由法拉第电磁感应定律可知： e W d dt
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之 间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。 一般可将磁电感应式传感器分为变磁通式和恒磁通式两类。
17
第7章 磁电式传感器
三、 磁电感应式传感器的应用
1．转速测量 2．振动测量
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
工作频率 固有频率 灵敏度
10～ 500 Hz 12 Hz
604 mV·s·c m-1
最大可测加速度 可测振幅范围 工作线圈内阻
115
第7章 磁电式传感器
霍尔电势UH与输入电流I、磁感应强度B成正比； 当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变；
如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交 变电势。
116
第7章 磁电式传感器 结构与选材：
UHnI eBdRHIdB KHI B
1.对于金属而言，n很大，所以RH很小，而半导体尤其是N型半导 体RH则较大；所以霍尔元件多用N型半导体。
所产生
的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍
尔片或霍尔元件。
霍尔效应原理图
113
第7章 磁电式传感器
霍尔效应演示
B
C D
A
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧
偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。
114
第7章 磁电式传感器
霍尔效应产生机理：
在磁场B中运动的电子将受到洛伦兹力fL：fL=evB
f=Zn/60
式中， Z—齿轮的齿数； n—转速(r/min)；
f—感应脉冲信号频率
16
第7章 磁电式传感器
二、 恒磁通式
结构：磁路系统 、线圈。
图7-1 恒磁通磁电式传感器结构原理图 （a）动圈式;（b）动铁式
原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v 感应
电动势e
eNB0l0v
可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度
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第7章 磁电式传感器
一、 变磁通式
开磁路变磁通式转速传感器
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号：
f=Zn/60
图7-2 变磁通磁电式传感器 1-被测旋转体；2-测量齿轮； 3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁
式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)； f—感应脉冲信号频率
14
2. 因为kH = RH /d ，霍尔元件越薄（即d越小）， kH就越大， 所以霍尔元件都比较薄，薄膜霍尔元件厚度只有μm左右。
因此、霍尔元件多用N型半导体薄片
117
第7章 磁电式传感器
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。下表所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。
建立的电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE： fE=eEH=eUH /b
平衡时，fL=fE，即：
evB= eUH /b
由于电流密度J=-nev，则电流强度为I=-nevbd
所以得到： UHnI eBdRHIdBKHI B
(7-1)
d—霍尔片厚度； n—电子浓度； RH=1/ne—霍尔系数； KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。
第7章 磁电式传感器
Magneto electric sensors 主要内容： 掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类和基本结构，了 解其应用； 掌握霍尔效应、霍尔传感器的结构、特性参数和基本电路； 能分析霍尔传感器误差来源和补偿方法，了解其实际应用。
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第7章 磁电式传感器
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电 信号的传感器。 磁电式传感器有 磁电感应式传感器
系为：
0 z
式中：z为传感器定子、转子的齿数。
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第7章 磁电式传感器
7.2 霍尔式传感器
工作原理：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。
磁场 电压UH
特点：霍尔传感器具有体积小、无触点、可靠性高、使用寿 命长、频率相应宽、易于集成化和微型化。
应用：霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛 应用到工业、汽车业、电脑、手机、电机以及新兴消费电子领 域。
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)
禁带宽度 电阻率
Eg/(eV) /(Ω·cm)
0.66
1.0
1.107
1.5
0.17
0.005
0.36
110
第7章 磁电式传感器 翻盖或滑盖手机中的应用
用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器 在滑盖手机中，在上盖对应的位置有 一个磁铁，霍尔传感器就在磁铁对应 的主板正面或反面，用磁铁来控制霍 尔传感器信号的输出。
当合上滑盖时，传感器输出低电平作
为中断信号到CPU，强制手机退出 当打开滑盖时，传感器输出
正在运行的程序；
高电平，手机解锁，接通正
在打入的电话。
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第7章 磁电式传感器
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第7章 磁电式传感器
7.2.1 霍尔效应及霍尔元件
1.霍尔效应 把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，
沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间
产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。
第7章 磁电式传感器
特点：结构简单、但输出信号小，高速轴上加装齿轮较危险， 当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。 在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。
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第7章 磁电式传感器 闭磁路变磁通式转速传感器 结构：由转子、定子、环形永久磁铁、线圈等元件组成。
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号
5g
m
0.1～1000 k
1.9
精度
≤10％
外形尺寸 质量
45mm×160 mm
0.7 kg
18
第7章 磁电式传感器
3．扭矩测量
当转轴不受扭矩时，两线圈输出
Байду номын сангаас
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 0 。
扭转角 与感应电动势相位差的关
霍尔式传感器
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第7章 磁电式传感器
7.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器工作原理是发电机原理。利用导体和磁场 发生相对运动产生感应电势。
被测量 感应电动势e
由法拉第电磁感应定律可知： e W d dt
磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之 间作相对运动；磁路中磁阻的变化等。 一般可将磁电感应式传感器分为变磁通式和恒磁通式两类。
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第7章 磁电式传感器
三、 磁电感应式传感器的应用
1．转速测量 2．振动测量
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
工作频率 固有频率 灵敏度
10～ 500 Hz 12 Hz
604 mV·s·c m-1
最大可测加速度 可测振幅范围 工作线圈内阻
115
第7章 磁电式传感器
霍尔电势UH与输入电流I、磁感应强度B成正比； 当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变；
如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交 变电势。
116
第7章 磁电式传感器 结构与选材：
UHnI eBdRHIdB KHI B
1.对于金属而言，n很大，所以RH很小，而半导体尤其是N型半导 体RH则较大；所以霍尔元件多用N型半导体。
所产生
的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍
尔片或霍尔元件。
霍尔效应原理图
113
第7章 磁电式传感器
霍尔效应演示
B
C D
A
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧
偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。
114
第7章 磁电式传感器
霍尔效应产生机理：
在磁场B中运动的电子将受到洛伦兹力fL：fL=evB
f=Zn/60
式中， Z—齿轮的齿数； n—转速(r/min)；
f—感应脉冲信号频率
16
第7章 磁电式传感器
二、 恒磁通式
结构：磁路系统 、线圈。
图7-1 恒磁通磁电式传感器结构原理图 （a）动圈式;（b）动铁式
原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v 感应
电动势e
eNB0l0v
可测速度，如果接一个积分或微分电路也可用来测量位移和加速度
13
第7章 磁电式传感器
一、 变磁通式
开磁路变磁通式转速传感器
原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号：
f=Zn/60
图7-2 变磁通磁电式传感器 1-被测旋转体；2-测量齿轮； 3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁
式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)； f—感应脉冲信号频率
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2. 因为kH = RH /d ，霍尔元件越薄（即d越小）， kH就越大， 所以霍尔元件都比较薄，薄膜霍尔元件厚度只有μm左右。
因此、霍尔元件多用N型半导体薄片
117
第7章 磁电式传感器
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。下表所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。
建立的电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE： fE=eEH=eUH /b
平衡时，fL=fE，即：
evB= eUH /b
由于电流密度J=-nev，则电流强度为I=-nevbd
所以得到： UHnI eBdRHIdBKHI B
(7-1)
d—霍尔片厚度； n—电子浓度； RH=1/ne—霍尔系数； KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。