磁电式传感器
磁电式传感器
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01 单 击 添 加 目 录 项 标 题 02 磁 电 式 传 感 器 的 概 述 03 磁 电 式 传 感 器 的 结 构 与 特 点 04 磁 电 式 传 感 器 的 应 用 实 例 05 磁 电 式 传 感 器 的 优 缺 点 分 析 06 磁 电 式 传 感 器 的 发 展 趋 势 与 前 景 展 望
微型化：随着 微电子技术的 发展，磁电式 传感器将不断 缩小体积，提 高精度和灵敏
度。
智能化：通过 集成AI技术， 磁电式传感器 可以实现自适 应、自学习等 功能，提高测 量精度和效率。
多功能化：磁 电式传感器将 不断拓展应用 领域，实现多 种物理量的测
量和监测。
网络化：通过 物联网技术， 磁电式传感器 可以实现远程 监控和数据共 享，提高测量 效率和可靠性。
工业自动化领域：用于检测机 器的运行状态、位置、速度等
医疗领域：用于检测病人的生 理信号，如心电图、血压等
结构简单，工作可靠，寿命长
灵敏度高，测量范围大
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输出阻抗低，负载能力强
添加标题
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测量精度高，稳定性好
磁饱和现象： 当磁电式传感 器受到过强的 磁场干扰时， 会导致磁饱和 现象，影响测
量精度
温度影响：磁 电式传感器的 磁阻效应受温 度影响较大， 温度变化可能 导致测量误差
机械振动：机 械振动可能影 响磁电式传感 器的测量结果， 导致测量误差
输出阻抗高： 磁电式传感器 的输出阻抗较 高，需要配用 适当放大电路 才能获得理想
的测量结果
提高灵敏度和精度 减小温度和机械应力的影响 增强抗干扰能力 降低成本并提高可靠性
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
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
磁电式转速传感器的原理
磁电式转速传感器的原理一、引言磁电式转速传感器是一种常用的测量设备，用于测量旋转物体的转速。
它通过感应磁场的变化来测量转速，具有精度高、可靠性好等优点。
本文将详细介绍磁电式转速传感器的原理和工作机制。
二、磁电式转速传感器的结构磁电式转速传感器通常由磁电式传感器和信号处理电路两部分组成。
2.1 磁电式传感器磁电式传感器由磁敏感元件和磁场产生元件组成。
磁敏感元件通常是由铁氧体或硅钢片制成的磁致伸缩材料，具有磁致伸缩效应。
磁场产生元件通常是由永磁体或电磁线圈组成，用于产生磁场。
2.2 信号处理电路信号处理电路主要用于放大、滤波和处理磁电式传感器输出的信号。
它通常由放大器、滤波器、比较器和计数器等组成。
三、磁电式转速传感器的原理磁电式转速传感器的原理基于磁致伸缩效应和霍尔效应。
3.1 磁致伸缩效应磁致伸缩效应是指在磁场作用下，磁敏感元件的尺寸会发生微小的变化。
当转子上的齿轮通过磁电式传感器时，磁敏感元件会受到磁场的影响，发生尺寸变化，从而产生电压信号。
3.2 霍尔效应霍尔效应是指当导体中有电流通过时，垂直于电流方向的磁场会在导体两侧产生电势差。
磁电式转速传感器中的磁敏感元件通常会产生一个垂直于磁场方向的电势差，该电势差与转速成正比。
四、磁电式转速传感器的工作原理磁电式转速传感器的工作原理如下：1.磁场产生元件产生一个恒定的磁场。
2.当转子上的齿轮通过磁电式传感器时，磁致伸缩效应使磁敏感元件的尺寸发生微小变化。
3.磁致伸缩效应引起磁敏感元件两侧产生电势差，即霍尔效应。
4.信号处理电路对电势差进行放大、滤波和处理。
5.最终输出一个与转速成正比的电压信号。
五、磁电式转速传感器的应用磁电式转速传感器广泛应用于各个领域，如汽车、航空航天、工业自动化等。
它可以用于测量发动机转速、风扇转速、电机转速等。
六、总结磁电式转速传感器是一种测量旋转物体转速的重要设备。
本文详细介绍了磁电式转速传感器的原理和工作机制，包括磁致伸缩效应和霍尔效应。
磁敏式传感器中的磁电式和霍尔式原理及应用
磁敏式传感器中的磁电式和霍尔式原理及应用磁敏式传感器在许多电子设备中发挥着关键作用，其中磁电式和霍尔式是两种常见的类型。
这两种传感器利用磁感应原理，将磁场强度转换为电信号，从而实现对各种物理量的测量。
本篇文章将详细介绍磁电式传感器和霍尔传感器的原理、应用以及注意事项。
一、磁电式传感器原理及应用磁电式传感器基于磁感应原理，即磁场的变化能够产生电压。
当磁场穿过金属片时，金属片会发生相应的电位差，即电磁感应。
这种传感器通常用于测量速度、长度、位移等物理量。
其工作原理如下：1.结构：磁电式传感器通常由永久磁铁和金属感应片组成。
金属感应片固定在壳体上，通过连接线连接到测量电路。
2.工作原理：当磁场穿过金属感应片时，会产生电动势，其大小与磁场强度成正比。
因此，通过测量电动势，可以确定磁场强度或相应的物理量。
3.应用：磁电式传感器广泛应用于流量计、测速仪、转速表等领域，用于测量流体的流量和速度。
此外，在汽车电子控制系统如ABS防抱死系统、TCS牵引力控制系统等中也发挥着重要作用。
二、霍尔传感器原理及应用霍尔传感器是基于霍尔效应制成的传感器。
当电流通过一个置于磁场中的半导体时，会在电子层面上产生电压，即霍尔电压。
这种传感器能够将磁场强度转换为电信号，从而实现对各种物理量的测量。
1.结构：霍尔传感器通常由半导体、固定磁场和连接线组成。
半导体通常被夹在两个导电片之间，形成一个霍尔电场。
2.工作原理：当电流通过霍尔传感器时，会在霍尔电场上产生电压，即霍尔输出。
霍尔输出的大小与磁场强度成正比，因此通过测量霍尔输出，可以确定磁场强度或相应的物理量。
3.应用：霍尔传感器在各种电子设备中广泛应用，如电流检测、位置测量、转速表、安全气囊控制等。
此外，霍尔传感器还被用于汽车电子控制系统如发动机控制、ABS防抱死系统等。
三、注意事项使用磁敏式传感器时，需要注意以下几点：1.磁场强度：确保磁敏元件工作在适当的磁场强度范围内，以免损坏传感器。
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
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） （
传感器与检测技术 第五章 磁电式传感器
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第五章 磁电式传感器 5．1 磁电感应式传感器（电动式） 5.1.2 结构类型
动圈型 动铁型
第五章 磁电式传感器
第五章 磁电式传感器
实例：振动速度传感器
属于惯性式传感器。是利用磁 电感应原理把振动信号变换成电 信号。它主要由磁路系统、惯性 质量、弹簧阻尼等部分组成。 工作时，将传感器安装在机器 上，在机器振动时，在传感器工 作频率范围内，线圈与磁铁相对 运动、切割磁力线，在线圈内产 生感应电压，该电压值正比于振 动速度值。 与二次仪表相配接，即可显示 振动速度或位移量的大小。也可 以输送到其它二次仪表或交流电 压表进行测量。
微分电路输出
dU c (t ) dU i (t ) U 0 (t ) Ri RC RC dt dt
第五章 磁电式传感器
图5-10 无源积分电路
图5-11 有源积分电路
第五章 磁电式传感器
图5-14 无源微分电路
图5-15 基本有源微分电路
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5．1 磁电感应式传感器（电动式） 5.1.3 磁电感应式传感器的应用
(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。
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5．1 磁电感应式传感器（电动式） 5.1.3 磁电感应式传感器的应用
第五章 磁电式传感器
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传感器与检测技术
第五章 磁电式传感器
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位 移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感应 式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运 动产生感应电势的。 霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应 (霍尔效应)而输出电势的。 它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用 范围。 5.1 磁电感应式传感器 5.2 霍尔式传感器 本章要点
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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。
因为速度与位移和加速度之间有内在的联系，即它们之间存在着积分或微分关系。
因此，如果在感应电动势的测量电路中接入一积分电路，则它的输出就与位移成正比;如果在测量电路中接人一微分电路，则它的输出就与运动的加速度成正比。
这样，这类磁电式传感器就可以用来测量运动的位移或加速度。
工作特性：
磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。
是典型的无源传感器。
输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。
通常在10—100HZ适合作机械振动测量、转速测量。
传感器尺寸大、重。
霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点, 它不仅用于磁感应强度, 有功功率及电能参数的测量, 也在位移测量中得到广泛应用
分类情况：（狭义）1.变磁通式和恒磁通式
变磁通式：开路变磁通式和闭路变磁通式
恒磁通式：动圈式磁电传感器（角速度型和线速度型）和动铁式磁电传感器
（广义）2.一般分为两种：（1）磁电感应式（2）霍尔式
磁电感应式
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）, 所以得到普遍应用。
利用霍尔效应
霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。
霍尔效应应使用左手定则判断。
技术参数
传感器测量范围（kHz）感应对象检测距离（mm）应用场合磁敏传感器0～10铁、电工钢～速度、位移磁电传感器50～5000Hz电工钢～1速度
霍尔传感器0～10磁铁1～5速度、位移光电传感器0～10自然光、红外光1～15速度、位移接近开关0～200Hz金属1～5速度、位移
如何选择
磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，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。
磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。
是典型的无源传感器。
输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。
传感器尺寸大、重。
霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点, 它不仅用于磁感应强度, 有功功率及电能参数的测量, 也在位移测量中得到广泛应用。
实现乘法运算，构成各种非线性运算部件，输出信号的信噪比大，频率范围宽：直流~ 数百千赫兹。
安装使用
磁电感应式传感器的应用：
1. 动圈式振动速度传感器
如图是动圈式振动速度传感器结构示意图。
其结构主要由钢制圆形外壳制成, 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。
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
如图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所示。
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。
当扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传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。
霍尔传感器的应用：
必须关注的问题
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。
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。
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。
为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 如图7 - 2（a）所示。
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, 式中右边三项都不为零, 对铜线而言每摄氏度变化量dL/L≈×10-4,
dR/R≈×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≈×10-2, 这样由式(7 - 7)可得近似值: γt≈%)/10 ℃
3.霍尔传感器的选用注意事项
1）磁场测量。
如果被测磁场精度较高，如优于%那么通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为5-10mv /100mT。
温度误差可以忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。
在被测磁场精度较低，体积要求不高时，最好选用硅化锗霍尔元件。
2）电流测量。
大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较高时，选用砷化镓霍尔元件，精度不高时，可以选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。
3）转速和脉冲测量。
测量转速和脉冲时，通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件爱按。
如在录像机和摄像机中采用了锑铟霍尔元件替代电机的电刷，提高了使用寿命。
4）信号的运算和测量。
通常利用霍尔电势和控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器，利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性。
制造功率表、电度表等。
5）拉力和压力测量。
选用霍尔元件支撑的传感器较其他材料支撑的传感器灵敏度和线性度更佳。