第6章磁电式传感器
传感器原理及其应用(第二版)部分习题答案
24.875
精品
第1章 传感器的一般特性
4、何为传感器的静态特性？静态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入输出 特性。 衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞、重 复性、稳定性等。
精品
第1章 传感器的一般特性
5、何为传感器的动态特性？动态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的动态特性是传感器在被测量随时间变化的 条件下输入输出关系。动态特性有分为瞬态响应和频率 响应。
第3章 电感式传感器及其应用
(2) 接成单臂电桥后的电桥输出电压值为： U 0 U 2 Z Z 1 2 Z Z 2 1 U 2 Z Z 0 0 Z Z 0 Z Z 0 U 2 2 Z Z 0 2 4 2 1 8 0 5 . 3 5 - 0 . 1 1 7 V
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第1章 传感器的一般特性
3、对某传感器进行特性测定所得到的一组输入—输出数 据如下：
输入x：0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 输出y；2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 试计算该传感器的非线性度和灵敏度。
精品
第1章 传感器的一般特性
当衔铁移动Δδ时，单端式传感器的灵敏度△L/△δ为：
k L L 0 0 5 0 4 .5 1 1 0 0 2 3 m H 1 0 .8H /m 3 3 .9 1 2 H /m
若做成差动结构形式，根据差动的变隙式的灵敏度公式 有：
k 差 动 L 2 L 0 0 2 0 5 .5 4 1 0 1 0 2 m 3 H 2 1 .6H /m 6 7 .8 2 4 H /m
故将其做成差动结构后，灵敏精品度将提高一倍。
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。
武汉理工大学机电工程学院
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。
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磁电式传感器(优秀课件
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霍 尔 效 应 演 示
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，发生偏移，在半 导体第二垂直方向端面之间建立起霍尔电势。
磁电式传感器(优秀课件
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➢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 q B
霍尔电场作用于电子的力 FH qEH
1 nq
KH
RH d
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;
• 绝缘材料电阻率ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；
• 金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小; • 半导体材料电阻率ρ较大 RH大，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）; • 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大，
e sv
x vt
a dv dt
磁电式传感器(优秀课件
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❖ 磁电式扭距传感器：
当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应 电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比， 传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。
齿型转盘
转轴
磁电传感器1
u1
u
磁电传感器2
u2
测量电路
磁电式传感器(优秀课件
磁电式传感器(优秀课件
6
9.1.2 磁电感应式传感器基本特性
当测量电路接入磁电传感器电路时，如图
所示，磁电传感器的输出电流Io为
Io
E RRf
BolWv RRf
传感器的电流灵敏度为
SI
Io v
BolW R Rf
第6章-磁电磁敏式传感器
• 测速度时，传感器的输出电压正比于速度信号 u v ，可
以直接放大。
• 输出功率大，稳定可靠，但传感器尺寸大、重，输出阻抗 低，通常几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。
CD-1 型震动速度传感器
工作频率 固有频率 灵敏度
• 磁阻元件在工作时通常需要加偏置磁 场，使磁敏电阻工作在线性区域。
• 无偏置磁场时只能检测磁场不能 判别磁性。输出弱磁场时磁阻与 磁场关系为：
R =R0（1+MB2）
R0 ——为零磁场内阻； M ——为零磁场系数；
• 外加偏置磁场时磁阻具有极性， 相当在检测磁场外加了偏置磁场， 工作点移到线性区，磁极性也作 为电阻值变化表现出来，这时电 阻值的变化为：
代入后：
UH
Bb
IB ned
RH
IB d
K H IB
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。
☻ 可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比
U K I B ☻ 讨论 H
敏 元
件
6.3.1 磁敏电阻
（1） 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，磁场使载流子运动方向的偏 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。
☺ 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。
➢ 磁阻效应表达式为
第六章磁电式传感器与应用思考题
第六章磁电式传感器与应用思考题6.1试述霍尔电势建立的过程。
霍尔电势的大小和方向与哪些因素有关？答：霍尔电势建立的过程：通有电流的金属板上加一个强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电势差，这个现象称为霍尔效应，这个电势差称为霍尔电动势，其成因可用带电粒子在磁场中所受到的洛伦兹力来解释。
将金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中。
当有电流流过薄片时，电子受到洛伦兹力的作用向一侧偏移，电子向一侧堆积形成电场，该电场对电子又产生电场力。
电子积累越多，电场力越大。
洛伦兹力的方向可用左手定则判断，它与电场力的方向恰好相反。
当两个力达到动态平衡时，在薄片的垂直于B的另一方向建立稳定电场，即霍尔电动势。
激励电流越大，磁场越强，电子受到的洛伦兹力也越大，霍尔电动势也就越高。
其次，薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度等因素对霍尔电动势也有影响。
霍尔电动势（mV）的数学表达式E H = K H I B式中，E H为霍尔电动势；K H为霍尔元件的灵敏度系数；I为输入电流；B为磁感应强度。
霍尔电动势的方向与I、B的方向有关。
6.2霍尔元件主要有哪些技术指标？分别是怎样定义的？答：霍尔元件主要的技术指标：灵敏度系数、输入阻抗、输出阻抗、额定电流、温度系数和使用温度范围。
灵敏度系数：霍尔元件在单位IB所产生的霍尔电动势；输入阻抗：是指霍尔元件电流进出端之间的的阻抗；输出阻抗：是指霍尔元件电压输出正负端子之间的的内阻；额定电流：是指霍尔元件的输入电流的允许的最大值；温度系数：是指霍尔元件在单位温度变化所引起的霍尔电动势的变化；使用温度范围：是指霍尔元件在正常使用的温度范围。
6.3霍尔元件存在不等位电势的主要原因有哪些？如何对其进行补偿？补偿的原理是什么？答：霍尔元件存在不等位电势的主要原因：（1）由于两个霍尔电压极在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔元件两侧；（2）输入电流极的端面接触不良；（3）所用材料不均匀；（4）霍尔元件的厚度不均匀。
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。
磁电式传感器课件
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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
实验六磁电式传感器的性能
实验六 磁电式传感器的性能
一、实验目的
了解磁电式传感器的原理和工作情况。
二、工作原理
磁电式传感器是一种能把非电量转化为感应电动势的传感器，也称为感应式传感器。
根据电磁感应定律，ω匝线圈中的感应电动势 e 决定于穿过线圈的磁通φ的变化率：
d e dt
ω
Φ
=- 。
磁电式传感器是由永久磁钢产生恒定的直流磁场，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势。
e 与磁通变化率成正比，因此线圈与磁场必需有一个相对运动。
因此当转盘上嵌入 N 个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生 N 次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。
三、所需单元和部件
磁电式传感器、差动放大器、双线示波器（自备） 、V/F 表、低通滤波器、低频振荡器。
有关旋钮的初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，按下低频振荡器的振动控制开关，低频振荡器的幅度旋钮置于最小，V/F 表置 F 表 2KHz 档。
四、注意事项
实验过程中，低频振荡器的调幅旋钮不能过大，以梁振动时不碰撞其他为佳。
四、实验步骤
（1）观察磁电式传感器的结构，根据图6的电路结构，将磁电式传感器，差动放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路，并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。
（2）调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表。
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。
磁电式传感器原理
磁电式传感器原理磁电式传感器是一种常用的电磁传感器，用于检测和测量磁场的强度和方向。
它基于磁电效应，即当磁场通过磁电材料时，会在材料上产生电势差，并且该电势差与磁场的强度及其方向成正比。
磁电材料通常是具有较高电阻率和磁性的材料，如铁氧体、镍锌铁氧体等。
这些材料可以通过磁电效应将磁场转化为电信号，从而实现对磁场的检测和测量。
磁电式传感器通常由磁电材料、导电材料以及电极组成。
磁电材料通常呈薄片或膜状，可以用来感知磁场。
导电材料负责将磁电材料上产生的电信号传递到电极上，并将其转化为电流或电压信号。
电极连接到外部电路上，可以对产生的电信号进行放大、处理和分析。
磁电式传感器的工作原理是基于以下几个步骤：1. 磁场感知：当磁场作用于磁电材料时，材料内部的磁性结构会发生变化，导致材料上产生电势差。
2. 电势差产生：在磁电材料中存在自旋磁矩和轨道磁矩，当磁场作用于磁电材料时，这些磁矩会受到磁场力的作用而发生偏转，进而改变材料电荷分布，从而产生电势差。
3. 电信号传递：产生的电势差经过导电材料传递到电极上，将其转化为电流或电压信号。
4. 信号处理：电极连接到外部电路上，可以对产生的电信号进行放大、处理和分析，从而得到磁场的强度和方向信息。
磁电式传感器的特点包括灵敏度高、响应速度快、频率范围广、温度稳定性好等。
它广泛应用于工业、军事、医疗、航天等领域，用于测量磁场、磁力、位移、速度、加速度等物理量。
总结起来，磁电式传感器是利用磁电材料的磁电效应将磁场转化为电信号的传感器。
它的工作原理是基于磁电效应，在磁场作用下，磁电材料上会产生电势差，进而产生电信号。
这种传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，被广泛应用于各个领域。
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常用于检测磁场强度的传感器。
它的工作原理基于磁电效应，即当磁场通过特定材料时，会产生电势差。
磁电式传感器通常由感应线圈和磁核组成。
感应线圈是一根绕有导线的线圈，磁核则是材料制成的磁性物体，通常是铁芯。
当没有磁场作用时，感应线圈中不会产生电流。
当外部磁场作用于磁核时，磁核产生的磁通量会穿过感应线圈。
根据法拉第电磁感应定律，当磁通量连续变化时，感应线圈中会产生感应电动势。
这个感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比，而磁通量的变化率与外部磁场的强弱有关。
因此，磁电式传感器可以通过测量感应线圈中产生的感应电动势来间接测量外部磁场的强度。
常见的应用包括地磁传感器、电动机转速传感器和磁导航传感器等。
值得注意的是，磁电式传感器的灵敏度取决于感应线圈的设计和磁核材料的选择。
较高的灵敏度可以使传感器对磁场变化更加敏感，而较低的灵敏度则可以使传感器对较弱的磁场更加测量精准。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择适当的磁电式传感器。
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第六章、磁电式传感器第一节、磁电式传感器的工作原理1）、磁电式传感器由于具有结构简单、工作稳定、输出电压灵敏度高等优点； 2）、磁电式传感器在转速测量、振动、速度测量中得到了广泛的应用。
3）、磁电式传感器的基本工作原理：电磁感应原理；法拉第电磁感应定律:无论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率的负值成正比。
具有N 圈的线圈感应电动势e 为：dt d Ne Φ-= （6-1）式中：φ为线圈的磁通，常用单位为Wb ； N 为线圈匝数。
4）、当线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时则：线圈两端的感应电动势e 为 ：θθsin sin NBlv dtdxNBl e == （6-2）式中：B ：为磁场的磁感应强度，常用单位为T ；x ：为线圈与磁场相对运动的位移； v ：为线圈与磁场相对运动的速度；θ：为线圈运动方向与磁场方向的夹角； N ：为线圈的有效匣数；l ：为每匣线圈的平均长度。
当θ=90时；式(6-2)可写成 ：e = N B l v （6-3）；5）、若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线时；则线圈两端的感应电动势e 为 ：θθθsin sin NBA dtd NBae == （6-4）式中：ω：为旋转运动角速度；A ：为线圈的截面权；θ：为线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。
Φ-+ueivBleθωθsin BlvN e =θωsin BA e =当θ=90时，式(6-4)可写成 ：e = N B A ω (6-5)当N 、B 、A 、l 为定值时，感应电动势e 与线圈和磁场的相对运动速度v (或ω)成正比。
由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系，因此只要适当加入积分、微分电路，便能通过测量感应电动势得到位移和加速度。
第二节、磁电式传感器的结构与应用如前所述，可以用改变磁通方法或用线圈切割磁力线方法产生感应电动势；所以磁电式传感器可以分为：变磁通式、恒磁通式两种类型。
一、变磁通式磁电传感器1）、在这类磁电式传感器中，产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，而是通过磁通的变化产生感应电动势。
2）、磁电式转速传感器：①、磁电式转速传感器的结构；见图6-1。
1传感齿轮、2感应线圈、3软铁板靴、 4永久磁铁图6-1、永磁型磁电式转速传感器的基本结构磁电式转速传感器主要由两部分组成。
第一部分是：固定部分，包括磁铁、感应线圈、用软铁制成的极靴(又称极掌)。
第二部分是：可动部分，主要是传感齿轮，它由铁磁材料制成，安装在被测轴上，随轴转动。
②、磁电式转速传感器的工作原理：当被测轴以一定的角速度旋转时，带动传感齿轮一起转动。
齿轮的齿顶和齿谷交替经过极靴。
由于极靴与齿轮之间的气隙交替变化，引起磁场中磁路磁阻的改变，使得通过线圈的磁通也交替变化，从而导致线圈两端产生感应电动势。
传感齿轮每转过一个齿，感应电动势对应经历一个周期T 。
若齿轮齿数为z ，转速为n(r/min) 。
则有：)()(60)min (1r zn s r zn T == (6-6)式中：T 为感应电动势周期，单位为s ；式(6-6)表示：传感齿轮每转过一个齿，对应所用时间。
即传感齿轮每转过一个齿对应经历一个周期T 。
或60zn f =(6-7)f 为感应电动势频率，单位为Hz 。
式(6-7)表明：传感器输出电动势的频率与被测转速成正比。
只要将该电动势放大整形成矩形披信号，送到计数器或频率计中，即可由频率测出转速。
③、根据形成磁场的方式，磁电式转速传感器可以分为永磁型、励磁型两种结构类型。
在图6-1中，传感器的磁场是由永久磁铁产生的，属于永磁型。
励磁型磁电式转速传感器的磁场是由电磁铁产生的，与永磁型相比多了一组励磁线圈，工作时需外加励磁电源。
④、根据极靴的结构形式，又可分为单极型、双极型、齿型三种结构类型。
图6-1中，传感器的极靴只有一个极，结构很简单，属于单极型。
双极型的传感器有两个极靴，分别代表N 极和S 极，与传感齿轮上的两个对应齿形成气隙。
齿型传感器的极靴被制成其齿数与传感齿轮齿数相等的齿座，齿座与齿轮以极小的工作间隙相对安装于同一轴线上。
齿座的齿轮与传感齿轮分别代表磁场的两极。
采用双极型或齿型的极靴能大大提高传感器的电动势灵敏度。
⑤、根据磁路形式，可分为开磁路式和闭磁路式。
⑥、根据安装形式，又可分为分离式和整体式。
下面介绍几种常用的磁电式转速传感器。
⑴、国产SZMB-3型磁电式转速传感器：①、图6-26-2图6-2、SZMB-3型磁电式转速传感器外形图②、使用时，该传感器通过联轴节与被测轴连接，当转轴旋转时将角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表使用。
③、该传感器每转输出60个脉冲，输出信号幅值大于或等于300mV (50r/min 时) ， ④、测速范围为50～5000r/min 。
⑵、SZMB-5型磁电式转速传感器①、SZMB-5型磁电式转速传感器的外形图。
图6-3图6-3、SZMB-5型磁电式转速传感器外形图②、该传感器输出信号的披形为近似正弦波，输出信号幅值大于或等于300mV (50r/min 时, 幅值与SZMB-3型相同)。
③、工作时，信号幅值大小与转速成正比，与铁心和齿顶间隙的大小成反比。
④、被测齿轮的模数m=2，齿数z=60，传感器铁心和被测齿顶间隙δ=0.5mm，测量范围为50～5000r/min。
上述磁电式转速传感器的主要优点是：结构简单、体积小、工作稳定，不受工作环境中的油雾等介质影响，使用寿命长，故在数字式转速测量中得到了广泛的应用。
二、恒磁通式磁电传感器1）、在恒磁通式磁电传感器中，工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于工作气隙中的线圈与磁钢之间作相对运动，线圈切割磁力线产生的。
其值与相对运动速度成正比。
这方面较为典型的是磁电式振动传感器，其结构见图6-40。
2）、磁电式振动传感器：①、磁电式振动传感器结构：见图6-40磁电式振动传感器由固定部分、可动部分及弹簧片组成。
固定部分主要是磁钢和壳体，壳体由软磁材料制成，与磁钢固定在一起。
可动部分包括线圈、芯轴及阻尼环。
线圈和阻尼环分别固定在芯轴的两端，它们是传感器的惯性元件。
芯轴上下都有拱型弹簧片支承，弹簧片与壳体相连。
1输出线、2弹簧片、3线圈、4芯轴、5磁钢、6阻尼环、7壳体图6-4磁电式振动传感器的基本结构②、工作原理：工作时传感器被紧固在振动体上，其外壳及磁刚随振动体一齐振动。
这时，位于气隙间的线圈就与磁钢作相对运动而切割磁力线，线圈两端就产生了正比于振动速度的电动势，该电动势经输出处理后即可显示振动速度。
阻尼环用纯铜制成，通过芯轴安装在线圈的对面，选择合适的几何尺寸可以使得无量纲衰减系数ζ=0.7，用以改善传感器低频范围的幅频特性。
实际上，阻尼环就是一个在磁场里运动的短路环，工作时此短路环感生电流并随同阻尼环在磁场中运动，从而产生与可动部分运动方向相反的阻力。
③、磁电式振动传感器的优点是：工作时产生的感应电动势大，输出阻抗低。
能提供较大的测量功率，不需要前置放大器。
④、运动，从而产生与可动部分运动方向相反的阻力。
③、磁电式振动传感器的缺点是：在高频振动时输出信号小，所以一般只用于低于500Hz的振动测量和具有长时间间隔的冲击测量。
⑤、磁电式振动传感器的主要技术指标如下： 灵敏度：60.4V .m-1s ； 线圈电阻：1. 9k Ω；工作频率范围： 10～500Hz ； 最大可测加速度：5g ；最大可测位移：1mm (单峰值)。
思考题与习题1、说明磁电式传感器的基本工作原理。
2、试通过转速测量系统的实例说明磁电式转速传感器的应用。
3、磁电式振动传属糯与磁电式转速传感器在工作原理上有什么区别?4、采用52MB-3型磁电式传感器测量转速，当传感糠输出频率为1kHz 的正弦波信号时，被测轴的转速是多少?5、磁电式传感器能否检测表面粗糙度?试绘出其原理图。
例1、如图1.63所示为电磁阻尼器示意图。
设工作气隙中磁感应强度为B ，金属骨架的平均直径为D ，厚度为t ，电阻率为ρ。
当它以速度v 在工作气隙中垂直于磁场方向运动时，对于理想的粘性阻尼(阻尼力与速度v 成正比)，忽略漏磁和杂散磁场，试证明其电磁阻尼系数为：ρπtld DB c 2=。
图1. 63电磁阻尼器示意图证明：当骨架以速度v 在环形工作气隙中垂直于磁场方向运动时，在骨架中产生的感应电势的大小为： Dv B Blv e π==式中：D l π=为骨架的平均周长。
处于工作气隙中的骨架段的电阻R 由电阻定律得到，为:dtl DR πρ=式中:d l 为工作气隙长度。
所以骨架中产生的感应电流为:ρdBvtl R e i ==而载流导体在磁场中运动所受到的磁场力为: v tl DB Bvtl D B Bli F dd ρπρπ2=== 所以电磁阻尼系数为: ρπdtl DB v F c 2== 命题得证。
例2、基于磁电感应原理的流量计原理如图1.64所示，试推导其输出输入关系。
设绝缘导管内径为D ，被测流体是导电的。
图1.64磁电感应式流量计原理图解：由于导管是绝缘的，当导电的流体在其中流动时，两电极之间的流体可以看作是一段长度 为导管内径D 的导体。
设管道中流体的流速分布均匀，各处的流速皆为v ，两磁铁之间的磁场分布也均匀，各处的 磁感应强度皆为B ，则这一段导体产生的感应电势的大小为: BDv e =此感应电势被差动放大后的输出电压为输出: kBDv ke u == 式中:k 为差动放大器的放大倍数。
管道中流体的流量为：v D Q 42π=所以流量计的输出输人关系为：Q D kBDQ kBD kBDv u ππ442===例3、某磁电感应式速度传感器总刚度为3200N/m ，测得其固有频率为20Hz ，今欲将其固有频10Hz ，问刚度应为多大?解：磁电感应式速度传感器总刚度k 、质量m 及固有角频率ω0之间的关系为：20ωm k =由此可得不同固有角频率之下的总刚度比值为：20220120220121ωωωω==m m k k由于角频率正比于频率，所以: m N f f k k k /80010103200)(3220201220220121====ωω 例8、试分析图1. 67所示之磁电式转速传感器的输出电动势及波形。
图1.67磁电式转速传感器解、为了分析方便，假设齿和槽所对应的圆心角相等，并忽略除空气隙以外的所有磁阻，因为它们的磁阻比 空气隙的磁阻小得多。
(1)、设t = 0时刻，定子磁极与齿轮的槽正好相对，如图1. 68(a)中实线所示。
从t = 0到t=T/2(T 为齿轮变化一个齿或一个槽所需的时间)的过程中，齿轮共转过与一个槽所对应的角度。
在这期间某一瞬时定子磁极的位置，如图1. 68(a)中虚线所示(为了绘图方便，让定子磁极转动了?个角度)。