第6章磁电式传感器(吴建平)
传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器
材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb)
1/ 2
4000 1840 4200
砷化铟(InAs)
磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
0.36
0.63 1.47
0.0035
0.08 0.2
25000
10500 8500
100
850 1700
1530
3000 3800
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
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 最大可测加速度 5g 可测振幅范围 精度 ≤10％ 45mm×160 mm 0.7 kg
0.1～1000 m 外形尺寸 1.9 k 质量
d E N dt
武汉理工大学机电工程学院
第6章 磁电式传感器
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；恒定磁场中线圈面积的变化等， 一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。 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。
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第6章 磁电式传感器 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
dx E NBl dt
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。 当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正 比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。 由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传 感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于 固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近 似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随 振动频率增加而下降。 不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的， 但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右，高的可 达2 kHz左右。
磁电式传感器工作原理
磁电式传感器工作原理
磁电式传感器是一种通过测量磁场变化来检测物体位置或运动的传感器。
它基于磁电效应，利用材料在外加磁场下产生的电势差来实现测量。
磁电式传感器通常由磁敏元件和测量电路组成。
磁敏元件可以是磁电材料，如铁电材料、铁磁材料或半导体材料，也可以是磁敏效应材料，例如霍尔元件。
磁敏元件的特性是在磁场的作用下，会产生电势差。
当磁敏元件处于一个磁场中时，磁场的变化会导致磁敏元件内部的电荷重新分布，从而产生电势差。
通常情况下，磁敏元件的两端接有电极，形成一个电势差的输出。
这个输出电势差可以被测量电路检测并转换为相应的电信号，用于表示磁场的强度或物体的位置。
根据磁场变化的方式，磁电式传感器可以分为两种类型：绝对值传感器和增量式传感器。
绝对值传感器可以直接测量磁场的强度，从而确定物体的绝对位置或角度。
常见的绝对值传感器有霍尔传感器和磁电传感器。
霍尔传感器利用霍尔效应测量磁场的强度，可以检测物体的位置、角度或磁场的方向。
磁电传感器则利用磁电效应测量磁场的强度，常用于测量物体的位移或线性位置。
增量式传感器则通过测量磁场的变化来确定物体的运动或相对位置。
常见的增量式传感器有磁电编码器和霍尔增量传感器。
磁电编码器利用磁场的变化来确定物体的运动方向、距离和速度，广泛应用于机械运动控制领域。
霍尔增量传感器则利用霍尔效应测量磁场的变化，可以检测物体的相对位移或角度变化。
总的来说，磁电式传感器通过利用磁电效应测量磁场的变化，实现了对物体位置或运动的检测。
不同类型的磁电式传感器可以应用于不同的场合，实现准确、可靠的测量。
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器是一种常用的用于测量和检测磁场的传感器。
其工作原理基于磁性材料在外加磁场作用下产生的磁电势。
磁电式传感器通常由两个主要部分组成：磁敏感元件和信号处理电路。
磁敏感元件是通常由铁磁材料制成的，比如镍、铁、钴等。
这些材料在外加磁场的作用下会发生剩余磁化现象，即使在磁场消失后，仍能保持一定的磁性。
当外加磁场作用在磁敏感元件上时，磁性材料内部的磁矩会发生改变。
这种磁矩的改变会导致磁敏感元件两端产生电势差，即磁电势。
这个电势差与外加磁场的强度成正比，可以通过测量电势差来间接测量磁场的强度。
信号处理电路用于放大和处理由磁敏感元件产生的微弱电势差。
通常，这些电路会对输入的电势差进行放大和滤波，以提高测量的准确性和稳定性。
然后，信号处理电路将处理后的电信号转换为数字信号或模拟信号，供其他设备使用或进行进一步的数据处理。
总而言之，磁电式传感器通过利用磁敏感元件在外加磁场作用下产生的磁电势，实现对磁场强度的测量和检测。
其工作原理简单可靠，广泛应用于各种领域，比如工业控制、汽车电子、电力系统等。
6磁电式传感器
磁电式传感器
图5.2 恒磁通式结构 (a)动圈式；(b)动铁式
磁电式传感器
图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆 筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布， 测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙 磁场中。 当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的 感应电势e为
磁电式传感器
二.磁电式力发生器与激振器
前已指出磁电式传感器具有双向转换特性，其逆 向功能同样可以利用。如果给速度传感器的线圈输入电 量，那么其输出量即为机械量。 在惯性仪器——陀螺仪与加速度计中广泛应用的 动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向 应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备， 用以获取机械结构的动态参数，如共振频率、刚度、阻 除上述应用外，磁电式传感器还常用于扭矩、转速 等测量。
磁电式传感器
(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、 c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器，要求选择 较大的质量块m和较小的弹簧常数k。 这样，在较高振动频率下，由于质量块大惯性而近 似相对大地静止。这时，振动体(同传感器壳体)相对质 量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的 振幅x(输入)。
S
v
Bl
(5-3)
为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永 久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密 度B；增加ｌa和W也能提高灵敏度，但它们受到体 积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。 为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈 始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合 理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器 基本性能要求。
磁电式传感器工作原理
磁电式传感器工作原理磁电式传感器是一种能够通过磁场变化来检测位置、速度、方向等物理量的传感器。
它利用磁电效应将磁场的变化转换为电信号，从而实现对被测物理量的检测。
磁电式传感器广泛应用于工业控制、汽车电子、航空航天等领域，具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。
磁电式传感器的工作原理主要基于磁电效应，即当磁场对材料产生作用时，材料内部会产生电磁力，从而引起电位差或电流。
根据磁电效应的不同表现形式，磁电式传感器可以分为磁电阻传感器、霍尔传感器和磁电感应传感器等多种类型。
磁电阻传感器是利用磁电阻效应来检测磁场变化的传感器。
当外加磁场的方向或大小发生变化时，材料的电阻值也会发生相应的变化。
这种变化可以通过外部电路测量出来，从而实现对磁场变化的检测。
磁电阻传感器具有结构简单、成本低、响应速度快等优点，广泛应用于磁场测量、位置检测等领域。
霍尔传感器是利用霍尔效应来检测磁场变化的传感器。
当导电材料处于磁场中时，垂直于电流方向的霍尔电压会产生变化，这种变化可以被测量出来。
霍尔传感器具有灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于电机控制、位置测量等领域。
磁电感应传感器是利用磁电感应效应来检测磁场变化的传感器。
当磁场对材料产生作用时，材料内部会产生感应电流，从而产生感应电压。
这种感应电压可以被测量出来，从而实现对磁场变化的检测。
磁电感应传感器具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于磁场测量、磁性材料检测等领域。
总的来说，磁电式传感器是一种能够通过磁场变化来检测物理量的传感器，具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。
不同类型的磁电式传感器在工作原理上有所不同，但都是基于磁电效应来实现对磁场变化的检测。
在实际应用中，我们可以根据具体的需求选择合适的磁电式传感器类型，以实现精准的物理量检测。
磁电传感器原理
磁电传感器原理
“嘿，你们知道啥是磁电传感器不？”有一天，我和小伙伴们在科技馆里玩，突然看到一个奇怪的东西。
大家都围过去，好奇地看着那个小小的装置。
磁电传感器就像一个小侦探，能发现很多我们看不到的东西。
它有几个关键部件呢。
有一个像小磁铁的东西，这可是很重要的哦。
它就像一个小警察，能感受到周围的磁场。
还有一些电线和小零件，它们就像小助手，帮助小磁铁把发现的信息传出去。
那它有啥功能呢？比如说，它能检测到汽车的速度。
就像我们跑步的时候，有人在旁边给我们数着跑了多快一样。
要是汽车开得太快了，磁电传感器就能告诉警察叔叔，让他们来管管。
磁电传感器的主要技术就是利用磁场来工作。
这就像一个魔法棒，能变出很多神奇的事情。
当有磁场变化的时候，小磁铁就会感觉到，然后通过电线把这个信息传出去。
就像我们看到好吃的东西，就会赶紧告诉小伙伴们一样。
我们在日常生活中也能看到磁电传感器呢。
有一次，我和爸爸妈妈去坐地铁。
我看到地铁的门旁边有一个小装置，爸爸说那就是磁电传感器。
它能检测到门有没有关好，要是没关好，地铁就不能开。
这就像一个细心的小卫士，守护着我们的安全。
要是没有它，地铁可能会出危险呢。
就像
我们在学校里，要是没有老师看着，我们可能会调皮捣蛋。
我觉得磁电传感器虽然小小的，但是它的作用可大啦。
它就像一个默默奉献的小英雄，守护着我们的生活。
我们应该好好感谢它，让它继续为我们服务。
传感器技术课件-磁电式传感器
优势与不足
1 优势
高精度测量、可靠性高、响应速度快、长寿命、适应性强、抗干扰能力强。
2 不足
受环境磁场干扰、成本较高、温度和湿度变化对性能有影响、部分类型难以小型化。
常见类型
霍尔传感器
利用霍尔效应测量磁场，广泛用于速度、位置和角 度检测。
磁编码器
通过测量磁场变化来确定位置，用于精密定位和运 动控制。
传感器技术课件-磁电式 传感器
欢迎参加传感器技术课程！本课件将介绍磁电式传感器的工作原理、应用领 域、优势与不足、常见类型、实际应用案例以及新发展趋势。
工作原理
磁电式传感器利用磁场和电磁感应原理，将磁场的变化转化为电信号，以检测和测量物理量。根据具体应用需 求，有多种不同的工作原理可供选择。
应用领域
工业自动化
磁电式传感器在工厂自动化和机械设备监测中起 到关键作用，如位置检测、速度测量和物体检测。
汽车行业
应用于车辆的位置感应、速度测量、方向盘力反 馈和车身稳定性控制等关键功能。
医疗设备
用于医疗设备中的生物参数监测，如血压计、心 率监测仪和呼吸器等。
消费电子
在智能手机、平板电脑和游戏控制器等设备中用 于位置检测和姿势识别。
磁罗盘
利用地球磁场指示方向，常安全控制和自动化应 用。
实际应用案例
1
工业机器人定位
磁电式传感器可用于工业机器人的精确定位，提高生产效率和产品质量。
2
车辆安全控制
利用磁电式传感器监测车辆速度和转向，实现智能驾驶辅助功能。
3
心脏健康监测
通过磁电式传感器测量心脏电信号，帮助诊断和治疗心脏疾病。
新发展趋势
• 更小型化和集成化设计，适应更多复杂场景。 • 增强抗干扰能力，提高传感器性能稳定性。 • 开发更智能化的传感器网络，实现智能城市和工业4.0等应用。
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器是一种常见的非接触式传感器，它可以测量磁场的变化，并将其转换为电信号输出。
其工作原理基于磁电效应，即当磁场作用
于某些材料时，会产生电势差。
具体来说，磁电式传感器通常由两个主要部分组成：一个磁场源和一
个敏感元件。
磁场源通常是一个永久磁铁或一个电流通过的线圈，用
于产生稳定的磁场。
敏感元件则是一些材料，如铁氧体、镍、钴等，
它们具有高度灵敏度和响应性能。
当被测物体进入磁场范围内时，它会改变这个区域内的磁场强度和方向。
这种变化将会引起敏感元件中的电荷重新排列，并在其两端产生
一个电势差。
这个电势差可以被放大并转换为输出信号。
不同类型的磁电式传感器有不同的工作原理。
例如，霍尔效应传感器
利用半导体材料中自由载流子受到横向磁场力作用而产生的Hall效应
来测量磁场变化。
磁电电容传感器则利用磁场对电容的影响来测量磁
场变化。
磁电式传感器具有许多优点，例如高精度、高灵敏度、非接触式测量等。
它们广泛应用于机械、电子、航空航天等领域中的位置、速度、
加速度等参数的测量和控制。
总之，磁电式传感器是一种基于磁电效应工作的非接触式传感器，其工作原理简单而有效。
随着科技的不断发展，它们将在更多的领域中得到应用，并为人们带来更多便利和创新。
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。
第六章磁电式传感器PPT课件
6.1 磁电感应式传感器
3. 磁栅式传感器 磁栅式传感器是利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传
感器。它是一种新型的数字式传感器，成本较低且便于安装 和使用。当需要时，可将原来的磁信号(磁栅)抹去，重新录制。 还可以安装在机床上后再录制磁信号，这对于消除安装误差 和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。 并且可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工 艺,因而精度较高,可达±0.01mm/m，分辨率为1～5µm。 磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。如图6-7所示， 磁栅是在不导磁材料制成的栅基上镀一层均匀的磁膜，并录 上间距相等、极性正负交错的磁信号栅条制成的。目前磁栅 的栅条数一般在100～30 000之间，栅距应大于0.04mm，否则 磁头拾取信号的幅值将十分微弱。
1) 在一定的工作电流IC下，霍尔电压UH与外磁场磁感应强度 B成正比。这就是霍尔效应检测磁场的原理。
因此
1/ Pq
RH1/Pq
(6-9) (6-10)
可迁见移，率要也大想。霍一尔般效金应属强的，R H大就，要但大， 小也，即而材绝料缘的体电大阻率 而高 而小。
只有半导体才是二者兼优的制造霍尔元件的理想材料。
霍尔电压的产生可以用洛伦兹力来解释。
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6.2 霍 尔 元 件
6.1.2 磁电式传感器的应用
磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常有较高的灵 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角速度，则要配用积分或微 分电路。如图6-4所示为一般测量电路方框图。其中虚线框内 整形及微分部分电路仅用于以频率作为输出时。
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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与应用
磁电式传感器的工作原理与应用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。
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。
磁电式传感器课程设计
磁电式传感器课程设计。
一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解磁电式传感器的基本原理，掌握其工作方式和应用范围。
2. 学生能够描述磁电式传感器的构造，了解其主要组成部分及功能。
3. 学生能够掌握磁电式传感器在物理量检测中的应用，如速度、位移等。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，进行磁电式传感器的简单设计和搭建。
2. 学生能够运用磁电式传感器进行物理量的检测，并能够分析检测结果。
3. 学生能够通过实际操作，掌握磁电式传感器的调试方法。
情感态度价值观目标：1. 学生对磁电式传感器产生兴趣，提高对物理学科的学习热情。
2. 学生能够认识到磁电式传感器在现代科技领域的重要性，增强科技创新意识。
3. 学生在团队协作中，培养沟通、合作能力和解决问题的能力。
课程性质：本课程属于物理学科，以实验和实践为主，注重理论联系实际。
学生特点：初三学生，具有一定的物理知识和实验技能，对新鲜事物充满好奇。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重启发式教学，引导学生主动探究，培养实践能力和创新精神。
在教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 磁电式传感器原理：讲解磁电式传感器的工作原理，涉及电磁感应定律、磁路基本概念等，对应教材第三章第二节。
2. 磁电式传感器构造：介绍磁电式传感器的组成部分，包括磁体、线圈、电路等，结合教材第三章第三节内容。
3. 磁电式传感器应用：分析磁电式传感器在速度、位移等物理量检测中的应用，举例说明，参考教材第三章第四节。
4. 磁电式传感器设计与搭建：引导学生运用所学知识，进行简单磁电式传感器的设计与搭建，结合教材实验部分内容。
5. 磁电式传感器调试：教授调试方法，让学生通过实际操作，学会调试磁电式传感器，提高实践能力，参考教材第五章实验部分。
6. 磁电式传感器在现代科技领域的应用：拓展学生视野，介绍磁电式传感器在高新技术领域的应用，如无人驾驶、智能制造等。
教学安排：第一课时：磁电式传感器原理及构造；第二课时：磁电式传感器应用；第三课时：磁电式传感器设计与搭建；第四课时：磁电式传感器调试及现代科技领域应用。
传感器原理及应用课后习题答案(吴建平)
传感器原理及应用课后习题答案吴建平第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。
1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。
1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。
如果没有传感器，应该出现哪种状况。
1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。
按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。
磁电式传感器原理
磁电式传感器原理
磁电式传感器是一种常用的物理量测量装置，它利用磁电效应实现对磁场的测量。
磁电效应是指当磁场作用于特定的材料时，会在材料中产生电势差或电流。
磁电式传感器的工作原理可以分为两个步骤：磁场的感应和电信号的转换。
首先，当磁场作用于磁电式传感器中的磁敏材料时，磁敏材料内部的自由电子会受到力的作用，从而形成一个电势差或电流。
这是由于磁场会改变电子的运动轨迹，导致电荷在材料中的分布发生变化。
这个电势差或电流的大小与磁场的强度成正比。
然后，磁电式传感器会将产生的电势差或电流信号转换成可用的测量信号。
这通常通过将电势差转换成电压信号或通过电流信号经过放大和滤波后得到。
这样的测量信号可以用来表示磁场的强度或与其他物理量的关系。
磁电式传感器有许多应用领域，包括磁场测量、运动传感、接近开关等。
它们通常具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好等特点，可以实现对磁场的准确测量。
同时，磁电式传感器还可以通过改变磁敏材料的性质或结构，实现对不同范围和分辨率的测量需求。
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
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式中霍尔电场强度为
EH
UH b
➢ 在磁场作用下导体中的自由 电子做定向运动。每个电子受 洛仑兹力作用被推向导体的另
一侧：
FL e B
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应
➢当两作用力相等时电荷不再向两边积累达到动态平衡：
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
应用—工位定位：
➢ 使用霍尔传感器进行定位，霍尔传感器在检测到磁钢经 过传感器探头时，磁场的变化会使传感器输出脉冲信号。 ➢ 利用霍尔传感器的这一特性，我们将磁钢安装在自动化 生产流水线某几个特定的链板上，这样，当这些安装有磁 钢的链板经过传感器探头时，传感器就会“认出”这些链 板。
• 位移测量 • 测转速 • 测磁场 • 计数装置(导磁产品)
传感器原理及应用
磁 场 测 量
检缺口
检齿
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.4 霍尔传感器的应用
传感器原理及应用
1.霍尔传感器位移测量原理
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.4 霍尔传感器的应用
传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
霍尔元件和磁体运动方式
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
应用
霍尔元件测位置
传感器原理及应用
霍 尔 元 件 测 角 度
第6章 磁电式传感器
传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器
6.2.5 霍尔集成传感器
实典型信号的相关分析
传感器原理及应用
➢ 霍尔晶体的外形为矩形薄片,有四根引线，
• 两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻 ； • 电源E通过R控制激励电流 I； • B 磁场与元件面垂直（向里）
➢ 实测中可把 I×B 作输入， 也可把 I 或 B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。
➢ 输出UH与I或B成正比关系， 或与 I×B 成正比关系。
B0(10.2732B2)
ρ0 — 零磁场电阻率， ρB — B磁场电阻率
第6章 磁电式传感器
6.3 磁敏传感器 6.3.1 磁敏电阻
传感器原理及应用
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.3 磁敏传感器 6.3.1 磁敏电阻
➢ 而霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱,但仍 然存在。由于霍尔电场强度与导体薄片的宽度b成反比关系， 所以磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关：
2.霍尔压力传感器结构原理
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器
6.2.4 霍尔传感器的应用
3.交直流钳形数字电流表
➢ 环形磁集束器作用是将载流导体中被 测电流产生的磁场集中到霍尔元件上， 以提高灵敏度。
➢ 霍尔元件的磁感应强度Ｂ与导线电流
成正比，B∝ IX，可求出测量电路的霍尔 输出电势，输出电势与导线电流成正比。
敏元件，主要用于磁场 检测;
➢ 而与人们相关的磁场 范围很宽，一般的磁敏 传感器检测的最低磁场 只能测到10-6高斯。
磁场强度与磁场源的分布
第6章 磁电式传感器
传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器
➢ 测磁的方法：
①利用电磁感应作用的传感器（强磁场） 如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； ②利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场； ③利用超导效应传感器，SQVID 约瑟夫元件； ④利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 ⑤利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器；
应用：
汽 车 转 速 测 量
?
?
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
➢利用霍尔元件实现的编码计 数典型电路。（晶体管、集成 电路）。 ➢ 随磁鼓上永久磁体的极性 （N、S）变化，霍尔元件c、d 端输出电压的极性（正、负） 也发生变化，通过整形输出， 获得近似矩形的脉冲信号。 ➢根据磁鼓上永久磁体数量多 少，可获得磁鼓旋转一周的脉 冲数目，从而进行与旋转有关 的参数测量和控制。
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
传感器原理及应用
应用 ：霍尔计数装置 传感器可输出峰பைடு நூலகம்20mV脉冲电压
S N SL3051
1K
470K
+ VCC
470K
计数器
LM741
VT
+ 12V
C 22μ
10K
11K
钢珠
绝缘传送带
霍尔元件 N
S
磁钢
信号输出
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应
➢ 讨论：
• 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件;
• 金属材料因电子浓度n很高，RH很小，UH很小; • 绝缘材料电阻率ρ很大，但电子迁移率μ很小，不适用； • 半导体材料电阻率ρ较大，电子迁移率μ适中，非常适于做霍尔元件；
半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型 半导体（多电子）;
6.2 霍尔式传感器 6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿
传感器原理及应用
• 具体补偿方法:在霍尔元件上并联一分流电阻Rp
当
RIN
IH
IP
UH
T
➢由于恒流源电流I不变，Rp自动增加分流，使Ip增大，
IH 下降，UH下降；补偿电阻Rp可选择负温度系数.
T
RP
IP
IH
UH
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.4 霍尔传感器的应用
• 由霍尔灵敏度可见，厚度d 越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件通常
做的较薄，近似1微米( d≈1μm )，工作电压很低。
UH KHIB
RH
1 ne
KH
RH d
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.2 霍尔传感器基本电路
传感器原理及应用
霍尔元件外形和符号
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.2 霍尔传感器基本电路
FH FL
霍尔电势：
eEH eB
UH Bb
E
H
UH b
通过（半）导体薄片的电流 I与下列因素有关：
Inebd n — 载流子浓度， v —电子运动速度， b d —导体薄片横截面积 ， e — 为电子电荷量。
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应
传感器原理及应用
• 恒流源补偿：
由 UH = KH I B 可见，恒流源 I 供电可使UH稳定， 但灵敏度系数 KH = RH/d = ρμ/d 也是温度的函数， 温度T变化时，灵敏度KH也变化。
➢多数霍尔器件是正温度系数，T KH ，可通过减小 I 保持 KH×I 不变，抵消温度造成KH增加的影响。
第6章 磁电式传感器
ＵH = KHＩC B = KHＩCKBIX ＫＨ 霍尔元件灵敏度； ＩC 控制电流, ＩX为导线电流； KB 为比例系数；KHＩc KB 为一定值；
钳口
导线电流 IX
磁集束器 霍尔元件
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器 —— 线性、开关
1.线性霍尔集成电路(测位移、测振动)
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.3 霍尔传感器的误差及补偿
(1) 不等位电势
UH KHIB
➢ 当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场 B=0，理论上
霍尔电势 UH=0, 但实际 UH≠0，这时测得的空载电势称 不等位电势 U0 。 产生的原因：
霍尔引出电极安装不对称不在 同一等位面上，或激励电极接 触不良。
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.3 磁敏传感器
磁敏元件也是基于磁电转换原理,60年代西门子公司
研制了第一个磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二极管, 目前磁敏元件应用广泛。
磁敏传感器主要有： 磁敏电阻； 磁敏二极管；
磁 敏
磁敏三极管；
元
霍尔式磁敏传感器。
件
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
➢ 开关型有常开、常闭型两种
霍尔开关元件性能演示
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
3. 应用
传感器原理及应用
TTL COMS LED 集成霍尔元件及接口电路
第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔式传感器 6.2.5 霍尔集成传感器
传感器原理及应用
霍尔元件作无触点开关
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
代入后： U HB bn Ie B dR HId BK HIB Inebd
☻ 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比
霍尔常数
RH
1 ne
与材料有关
霍尔灵敏度
KH
RH d
与薄片尺寸有关
式中：ρ—电阻率、n—电子浓度、μ—电子迁移率 μ=υ/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
➢ 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
磁
电
学 量
磁敏传感器
信 号
第6章 磁电式传感器 传感器原理及应用
6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应
➢1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因 为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半 导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。
传感器原理及应用