第5章 磁电式传感器 3分析
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《传感器原理》
第5章
磁电式传感器
1 北京化工大学信息科学与技术学院测控系
传感器原理
第5章 磁电式传感器
第一节 磁电感应式传感器 一、工作原理及结构 二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用 第二节 霍尔式传感器 一、工作原理 二、霍尔元件的测量误差 三、应用 磁电式
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第五章 磁电式传感器
当传感器线圈相对运动的速度 和方向改变时，由 i 产生的附 加磁场的作用也随之改变 ， 从而使传感器的输出有谐波失 真。线圈中的电流越大，这种 非线性就越严重。
v Φ N
i
Φi
e
S
采用补偿线圈，可使其产生的 传感器线圈电流 i 的磁场效应 交变磁通与线圈本身产生的交 变磁通相互抵消。 气隙磁场不均匀也是造成传感器非线性误差的原因之一。
ld
N
永久磁铁
v
弹簧
支架 线圈 软铁 磁路
式中： B 工作气隙磁感应强度 l 每匝线圈的平均长度 v 线圈相对于磁场的运动速度 W 线圈处于工作气隙磁场中的线圈匝数，工作匝数
d
S
由上式可见 当传感器的结构参数确定后，B、l、W为定值 感应电动势 e 与线圈相对磁场的运动速度 v 成正比
动圈式恒定磁通 磁电感应式传感器结构图
15
磁电式振动传感器可以用一个二阶系统来表示。
xm m
集中质量
集中弹簧 k c 集中阻尼 x0 阻尼大多是由线圈的Baidu Nhomakorabea属骨
12
三、磁电式传感器的应用
1、磁电式测振动传感器 2、磁电式测转速传感器 3、磁电式测扭矩传感器 4、磁电式涡轮流量计
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三、磁电式传感器的应用 1、磁电式测振动传感器
结构 线圈 N 永久磁铁 弹簧 S 壳体
被测物
14
测量时传感器壳体刚性 地固定在振动体上，随 振动体一起振动。 当振动频率 f 远大于传 感器的固有频率时，线 圈在磁路系统的气隙中 相对永久磁铁运动，以 振动体的振动速度切割 磁力线，从而在线圈中 产生感应电动势 e。 e ∝（振动频率 f、振 动幅度）
下图为闭磁路变磁通式传感器的结构。 由永久磁铁、软铁、感应线圈、椭圆铁磁旋转体组成。
椭圆铁磁旋转体在磁场气隙中以一定的角速度ω转动，由于旋转体是 椭圆形，软铁与衔铁之间的气隙大小随之变化，磁路中的磁阻和磁通 也随之变化，因而在线圈中产生感应电动势 e 。
感应电动式势 e 为： e e = -BWAωcos2ωt （式5-4）
感应电动式势 e 为：
e = -BWAv （式5-3）
磁路
v S
线圈
永久磁铁
式中： v 衔铁上下振动速度 B 磁通密度差（最大与最小之差） A 线圈截面积 W 线圈匝数
被测体 衔铁
δ0
N
e
由上式可见 感应电动势 e 与衔铁上下运动 速度 v 成线性关系
平移型开磁路变磁通 磁电感应式传感器结构图
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（2）闭磁路变磁通式传感器
弹簧
v
ld
N
永久磁铁
弹簧 支架 线圈
N
永久磁铁
v
线圈
永久磁铁
d
S
软铁
S
壳体
动圈式恒定磁通磁 电感应式传感器结构图
动铁式恒定磁通磁 电感应式传感器结构图
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以下分析以动圈式为例
磁路系统 由永久磁铁产生恒定的磁场，磁路中的气隙是固定不变的，因而气 隙（磁路）中的磁通也是恒定不变的。 感应电动势 e 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动势 e 为： e = BLWv （式5-2）
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2、温度误差 温度变化，将导致 线圈匝长的变化 导线电阻率的变化 磁阻的变化及磁导率的变化等 应采用温度系数小的材料和温度补偿的方法加以解决 3、永久磁铁的稳定性 永久磁铁的稳定性（永磁性）是决定磁电式传感器误差的决 定因素 永久磁铁的磁通密度的稳定性直接影响气隙中磁通量密度的 稳定性 解决这一问题的办法是采取稳磁处理措施
d e W dt
（式5-1）
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根据这一原理，可将磁电感应式传感器分为：恒定磁通式；变磁通式 1、恒定磁通式 恒定磁通磁电感应式传感器如下图所示 由永久磁铁（磁钢）、软铁、线圈、支架、壳体组成 测量时，磁路中的磁通恒定，感应线圈相对磁场运动产生感应电势 恒磁通磁电感应式传感器分为： 动圈式（运动部件是线圈） 动铁式（运动部件是永久磁铁）
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2、变磁通式 变磁通式磁电感应式传感器测量时，磁路中的磁通变化（或磁
路中的磁阻变化），因而感应线圈中感应电势变化。 变磁通式磁电感应传感器分为：
开磁路变磁通式传感器 闭磁路变磁通式传感器
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（1）开磁路变磁通式传感器
下图为开磁路变磁通式磁电感应传感器的结构。 由永久磁铁、衔铁、感应线圈组成。
当衔铁上下运动时，它与永久磁铁之间的气隙的大小随之变化，磁 路中的磁阻和磁通也随之变化，因而在线圈中产生感应电动势 e 。
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。
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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。 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动在导体两端产 生感应电动势的电磁感应原理工作的。 它是一种机 - 电能量变换型传感器。 一、工作原理及结构 磁电感应式传感器是以电磁感应原理 为基础。 由法拉第电磁定律可知，W匝线圈在 磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁 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Φ的变化率，即：
磁电式传感器是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。
磁电式传感器不需要辅助电源，就可把被测对象的机械能转换成 有用的电信号，是一种无源传感器。也称为电动式传感器。 本章介绍磁电式传感器有：
●磁电感应式传感器
●霍尔式传感器
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第一节 磁电感应式传感器
一、工作原理及结构
二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用
第5章
磁电式传感器
1 北京化工大学信息科学与技术学院测控系
传感器原理
第5章 磁电式传感器
第一节 磁电感应式传感器 一、工作原理及结构 二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用 第二节 霍尔式传感器 一、工作原理 二、霍尔元件的测量误差 三、应用 磁电式
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第五章 磁电式传感器
当传感器线圈相对运动的速度 和方向改变时，由 i 产生的附 加磁场的作用也随之改变 ， 从而使传感器的输出有谐波失 真。线圈中的电流越大，这种 非线性就越严重。
v Φ N
i
Φi
e
S
采用补偿线圈，可使其产生的 传感器线圈电流 i 的磁场效应 交变磁通与线圈本身产生的交 变磁通相互抵消。 气隙磁场不均匀也是造成传感器非线性误差的原因之一。
ld
N
永久磁铁
v
弹簧
支架 线圈 软铁 磁路
式中： B 工作气隙磁感应强度 l 每匝线圈的平均长度 v 线圈相对于磁场的运动速度 W 线圈处于工作气隙磁场中的线圈匝数，工作匝数
d
S
由上式可见 当传感器的结构参数确定后，B、l、W为定值 感应电动势 e 与线圈相对磁场的运动速度 v 成正比
动圈式恒定磁通 磁电感应式传感器结构图
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磁电式振动传感器可以用一个二阶系统来表示。
xm m
集中质量
集中弹簧 k c 集中阻尼 x0 阻尼大多是由线圈的Baidu Nhomakorabea属骨
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三、磁电式传感器的应用
1、磁电式测振动传感器 2、磁电式测转速传感器 3、磁电式测扭矩传感器 4、磁电式涡轮流量计
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三、磁电式传感器的应用 1、磁电式测振动传感器
结构 线圈 N 永久磁铁 弹簧 S 壳体
被测物
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测量时传感器壳体刚性 地固定在振动体上，随 振动体一起振动。 当振动频率 f 远大于传 感器的固有频率时，线 圈在磁路系统的气隙中 相对永久磁铁运动，以 振动体的振动速度切割 磁力线，从而在线圈中 产生感应电动势 e。 e ∝（振动频率 f、振 动幅度）
下图为闭磁路变磁通式传感器的结构。 由永久磁铁、软铁、感应线圈、椭圆铁磁旋转体组成。
椭圆铁磁旋转体在磁场气隙中以一定的角速度ω转动，由于旋转体是 椭圆形，软铁与衔铁之间的气隙大小随之变化，磁路中的磁阻和磁通 也随之变化，因而在线圈中产生感应电动势 e 。
感应电动式势 e 为： e e = -BWAωcos2ωt （式5-4）
感应电动式势 e 为：
e = -BWAv （式5-3）
磁路
v S
线圈
永久磁铁
式中： v 衔铁上下振动速度 B 磁通密度差（最大与最小之差） A 线圈截面积 W 线圈匝数
被测体 衔铁
δ0
N
e
由上式可见 感应电动势 e 与衔铁上下运动 速度 v 成线性关系
平移型开磁路变磁通 磁电感应式传感器结构图
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（2）闭磁路变磁通式传感器
弹簧
v
ld
N
永久磁铁
弹簧 支架 线圈
N
永久磁铁
v
线圈
永久磁铁
d
S
软铁
S
壳体
动圈式恒定磁通磁 电感应式传感器结构图
动铁式恒定磁通磁 电感应式传感器结构图
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以下分析以动圈式为例
磁路系统 由永久磁铁产生恒定的磁场，磁路中的气隙是固定不变的，因而气 隙（磁路）中的磁通也是恒定不变的。 感应电动势 e 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动势 e 为： e = BLWv （式5-2）
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2、温度误差 温度变化，将导致 线圈匝长的变化 导线电阻率的变化 磁阻的变化及磁导率的变化等 应采用温度系数小的材料和温度补偿的方法加以解决 3、永久磁铁的稳定性 永久磁铁的稳定性（永磁性）是决定磁电式传感器误差的决 定因素 永久磁铁的磁通密度的稳定性直接影响气隙中磁通量密度的 稳定性 解决这一问题的办法是采取稳磁处理措施
d e W dt
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根据这一原理，可将磁电感应式传感器分为：恒定磁通式；变磁通式 1、恒定磁通式 恒定磁通磁电感应式传感器如下图所示 由永久磁铁（磁钢）、软铁、线圈、支架、壳体组成 测量时，磁路中的磁通恒定，感应线圈相对磁场运动产生感应电势 恒磁通磁电感应式传感器分为： 动圈式（运动部件是线圈） 动铁式（运动部件是永久磁铁）
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2、变磁通式 变磁通式磁电感应式传感器测量时，磁路中的磁通变化（或磁
路中的磁阻变化），因而感应线圈中感应电势变化。 变磁通式磁电感应传感器分为：
开磁路变磁通式传感器 闭磁路变磁通式传感器
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（1）开磁路变磁通式传感器
下图为开磁路变磁通式磁电感应传感器的结构。 由永久磁铁、衔铁、感应线圈组成。
当衔铁上下运动时，它与永久磁铁之间的气隙的大小随之变化，磁 路中的磁阻和磁通也随之变化，因而在线圈中产生感应电动势 e 。
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。
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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。 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动在导体两端产 生感应电动势的电磁感应原理工作的。 它是一种机 - 电能量变换型传感器。 一、工作原理及结构 磁电感应式传感器是以电磁感应原理 为基础。 由法拉第电磁定律可知，W匝线圈在 磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁 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Φ的变化率，即：
磁电式传感器是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。
磁电式传感器不需要辅助电源，就可把被测对象的机械能转换成 有用的电信号，是一种无源传感器。也称为电动式传感器。 本章介绍磁电式传感器有：
●磁电感应式传感器
●霍尔式传感器
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第一节 磁电感应式传感器
一、工作原理及结构
二、磁电感应式传感器的误差分析 三、磁电感应式传感器的应用