传感器原理与应用6磁敏传感器总结
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传感器原理与应用
第六章 磁敏传感器
分类
利用磁电感应原理的磁电感应式传感器 。
将运动速度、位移转换成线圈中的感应电动势输出。
利用某些材料的磁电效应做成的对磁场敏感的传感器（磁 敏传感器）
磁电效应主要有霍尔效应和磁阻效应 其中霍尔效应是磁电效应的基础。
磁敏二极管(SMD)
非重点
磁电感应式传感器可直接输出感应电势，而且具有较高的 灵敏度，对测量电路无特殊要求。
磁电感应式传感器的输出信号直接经主放大器输出，该信号与速度成 正比；
前置放大器分别接积分电路和微分电路 接积分电路时，感应电动势的输出正比于位移信号； 接微分电路时，感应电动势的输出正比于加速度信号。
EH vB
U H vBb
对于n型半导体，电流强度I可以表示为：
I j s nevbd
进而得到：
v I nebd
j表示电流密度（A/m2） n表示单位体积内的电子数，
负号表示电子运动方向与电流方向相反。
s表示霍尔元件的截面积（m2） d表示霍尔元件的厚度（m）
非重点
5.1 磁电感应式传感器
Part.2 应用
磁电感应式传感器的应用
非重点
特点：
是一种典型的惯性传感器
不需要静止的基准参考信号，可直接安装在被测物 体上
是一种典型的发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出
电动式磁电传感器从根本上讲是速度传感器
磁电传感器输出阻抗低，通常为几十~几千欧姆， 对后继电路要求低，干扰小
并设其正电荷所受洛伦茨力方向为正，则电子所受的洛伦
兹力可表示为：
e: 电子电量
fL evB
v: 运动速度 B: 磁场强度
霍尔电场作用于电子的力fE可表示为：
fE
(e)(EH )
e
UH b
-EH表示电场方向与规定正方向相反 （单位V/m）
当达到动平衡后，二力的代数和为零
通常用来做机械振动测量
CD-1型振动速度传感器
非重点
磁电式扭矩传感器
非重点
5.2 霍尔传感器
Part.1 原理
霍尔传感器
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，是把磁学物理量 转换成电信号的磁敏传感器。
发展历程
1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由 于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。
5.1 磁电感应式传感器
Part.1 原理
磁电感应式传感器
非重点
磁电感应式传感器是一种电动式传感器，也是一种典型的有 源传感器。
特点： 输出功率大 稳定可靠、结构简单、可简化二次仪表
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
工作频率为10~500Hz，适合做机械振动测量和转速测量。 缺点：
当运动速度v<va时，运动速度太小， 不足以克服构件内的静摩擦力，因 此没有感应电动势输出；
当运动速度v>va时，传感器才能克 服静摩擦力开始做相对运动；
当运动速度v>va时，惯性太大，超 过了传感器的弹性形变范围，输出 曲线开始弯曲。
传感器运动速度通常工作在(vb,vc) 范围之间，保证有足够的线性范围。
随着半导体技术的发展，开始使用半导体材料制成霍尔元件，由于它 的霍尔效应显著而得到广泛应用和发展。
优点：
结构简单，体积小，坚固， 频率响应宽（从直流到微波），动态范围大（输出电动势变化）, 非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。
缺点：
转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时需要进行温度补偿。
磁场方向运动时，导体内产生
的感应电动势为：
e N d
dt
右手定律
发电机
恒磁通式
非重点
磁路系统产生恒定的磁场，工作间隙中的磁通也保持恒定 不变，感应电动势是由线圈相对永久磁铁运动时切割磁力 线而产生的。
永磁铁与传感器壳体固定，线圈相对于传感器壳体运动，称为动圈式。 线圈组件与传感器壳体固定，永磁铁相对于传感器壳体运动，称为动铁式。
非重点
对于变磁通式磁电传感器，线圈和磁铁都静止不动，感应 电动势是由变化的磁通产生的。由导磁材料组件构成的被 测体运动时，比如转动物体引起磁阻变化，使穿过线圈的 磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势，所以这种传 感器也成为变磁阻式。
磁电感应式传感器的基本特征 非重点
电动势磁电感应传感器的灵敏度特性曲线在理论上应该是 一条直线，而实际的灵敏度特性是非线性关系的。
工作原理
非重点
wk.baidu.com
动圈式和动铁式的工作原理相同。
若线圈和磁铁有相对运动，则线圈中产生的感应电动势与 磁场强度、线圈导体长度、线圈匝数以及线圈切割磁力线 的速度成比例关系，具体为：
e N d NBl dx BlNv
dt
dt
线圈 运动速度
线圈 匝数
磁感应 强度
每匝线圈 长度
变磁通式
电流灵敏度：
非重点
电流灵敏度是单位速度引起的输出电流变化，为：
SI
I0 v
电压灵敏度：
电压灵敏度是单位速度引起的输出电压变化 ，为：
SV
U0 v
提高灵敏度的方法 ：
可以增大磁场强度B、每匝线圈的长度l和线圈匝数N。 同时需要综合考虑传感器的材料、体积、重量、内阻和工作频率。
磁电感应式传感器的测量电路 非重点
尺寸较大、较重 频率响应低
工作原理
非重点
磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动时会在导 体两端输出感应电动势。
根据法拉第电磁感应定律可知：“导体在磁场中切割磁力 线”or“闭合线圈的磁通发生变化”时，在导体两端或线圈 内将产生感应电动势，电动势的大小与穿过线圈的磁通变
化率有关。 当导体在均匀磁场中，沿垂直
霍尔效应
金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中（若磁场垂直于薄 片），当有电流I流经时（若I与B正交），在垂直于电流I和磁场B的方 向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。
左手 定律
把一个长度为L，宽度为b，厚度为d的导体或半导体薄片两端通以控 制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感强度为B的磁场，在薄片的另 外两侧将会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的感应电 动势UH。
第六章 磁敏传感器
分类
利用磁电感应原理的磁电感应式传感器 。
将运动速度、位移转换成线圈中的感应电动势输出。
利用某些材料的磁电效应做成的对磁场敏感的传感器（磁 敏传感器）
磁电效应主要有霍尔效应和磁阻效应 其中霍尔效应是磁电效应的基础。
磁敏二极管(SMD)
非重点
磁电感应式传感器可直接输出感应电势，而且具有较高的 灵敏度，对测量电路无特殊要求。
磁电感应式传感器的输出信号直接经主放大器输出，该信号与速度成 正比；
前置放大器分别接积分电路和微分电路 接积分电路时，感应电动势的输出正比于位移信号； 接微分电路时，感应电动势的输出正比于加速度信号。
EH vB
U H vBb
对于n型半导体，电流强度I可以表示为：
I j s nevbd
进而得到：
v I nebd
j表示电流密度（A/m2） n表示单位体积内的电子数，
负号表示电子运动方向与电流方向相反。
s表示霍尔元件的截面积（m2） d表示霍尔元件的厚度（m）
非重点
5.1 磁电感应式传感器
Part.2 应用
磁电感应式传感器的应用
非重点
特点：
是一种典型的惯性传感器
不需要静止的基准参考信号，可直接安装在被测物 体上
是一种典型的发电型传感器，工作时可不加电压， 直接将机械能转化为电能输出
电动式磁电传感器从根本上讲是速度传感器
磁电传感器输出阻抗低，通常为几十~几千欧姆， 对后继电路要求低，干扰小
并设其正电荷所受洛伦茨力方向为正，则电子所受的洛伦
兹力可表示为：
e: 电子电量
fL evB
v: 运动速度 B: 磁场强度
霍尔电场作用于电子的力fE可表示为：
fE
(e)(EH )
e
UH b
-EH表示电场方向与规定正方向相反 （单位V/m）
当达到动平衡后，二力的代数和为零
通常用来做机械振动测量
CD-1型振动速度传感器
非重点
磁电式扭矩传感器
非重点
5.2 霍尔传感器
Part.1 原理
霍尔传感器
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，是把磁学物理量 转换成电信号的磁敏传感器。
发展历程
1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由 于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。
5.1 磁电感应式传感器
Part.1 原理
磁电感应式传感器
非重点
磁电感应式传感器是一种电动式传感器，也是一种典型的有 源传感器。
特点： 输出功率大 稳定可靠、结构简单、可简化二次仪表
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
工作频率为10~500Hz，适合做机械振动测量和转速测量。 缺点：
当运动速度v<va时，运动速度太小， 不足以克服构件内的静摩擦力，因 此没有感应电动势输出；
当运动速度v>va时，传感器才能克 服静摩擦力开始做相对运动；
当运动速度v>va时，惯性太大，超 过了传感器的弹性形变范围，输出 曲线开始弯曲。
传感器运动速度通常工作在(vb,vc) 范围之间，保证有足够的线性范围。
随着半导体技术的发展，开始使用半导体材料制成霍尔元件，由于它 的霍尔效应显著而得到广泛应用和发展。
优点：
结构简单，体积小，坚固， 频率响应宽（从直流到微波），动态范围大（输出电动势变化）, 非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。
缺点：
转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时需要进行温度补偿。
磁场方向运动时，导体内产生
的感应电动势为：
e N d
dt
右手定律
发电机
恒磁通式
非重点
磁路系统产生恒定的磁场，工作间隙中的磁通也保持恒定 不变，感应电动势是由线圈相对永久磁铁运动时切割磁力 线而产生的。
永磁铁与传感器壳体固定，线圈相对于传感器壳体运动，称为动圈式。 线圈组件与传感器壳体固定，永磁铁相对于传感器壳体运动，称为动铁式。
非重点
对于变磁通式磁电传感器，线圈和磁铁都静止不动，感应 电动势是由变化的磁通产生的。由导磁材料组件构成的被 测体运动时，比如转动物体引起磁阻变化，使穿过线圈的 磁通量变化，从而在线圈中产生感应电动势，所以这种传 感器也成为变磁阻式。
磁电感应式传感器的基本特征 非重点
电动势磁电感应传感器的灵敏度特性曲线在理论上应该是 一条直线，而实际的灵敏度特性是非线性关系的。
工作原理
非重点
wk.baidu.com
动圈式和动铁式的工作原理相同。
若线圈和磁铁有相对运动，则线圈中产生的感应电动势与 磁场强度、线圈导体长度、线圈匝数以及线圈切割磁力线 的速度成比例关系，具体为：
e N d NBl dx BlNv
dt
dt
线圈 运动速度
线圈 匝数
磁感应 强度
每匝线圈 长度
变磁通式
电流灵敏度：
非重点
电流灵敏度是单位速度引起的输出电流变化，为：
SI
I0 v
电压灵敏度：
电压灵敏度是单位速度引起的输出电压变化 ，为：
SV
U0 v
提高灵敏度的方法 ：
可以增大磁场强度B、每匝线圈的长度l和线圈匝数N。 同时需要综合考虑传感器的材料、体积、重量、内阻和工作频率。
磁电感应式传感器的测量电路 非重点
尺寸较大、较重 频率响应低
工作原理
非重点
磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动时会在导 体两端输出感应电动势。
根据法拉第电磁感应定律可知：“导体在磁场中切割磁力 线”or“闭合线圈的磁通发生变化”时，在导体两端或线圈 内将产生感应电动势，电动势的大小与穿过线圈的磁通变
化率有关。 当导体在均匀磁场中，沿垂直
霍尔效应
金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中（若磁场垂直于薄 片），当有电流I流经时（若I与B正交），在垂直于电流I和磁场B的方 向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。
左手 定律
把一个长度为L，宽度为b，厚度为d的导体或半导体薄片两端通以控 制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感强度为B的磁场，在薄片的另 外两侧将会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的感应电 动势UH。