传感器 第六章

交变电势的频率为

f Zn / 60
(6-4)
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6.1 磁电感应式传感器
式中 f ——感应电势频率(周/s)； n——被测轴转度(r/min)； Z——齿轮的轮数。 这样，就可测得运动物体的频率。 如图6-3(b)可测旋转物体的速度角频率。在圆轮旋转时，圆轮
需要注意的是在式(6-2)、式(6-3)中的、指的是线圈与磁铁的 相对速度，而不是磁铁的绝对速度。
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6.1 磁电感应式传感器
2. 磁阻式磁电传感器
磁阻式磁电传感器跟动圈式磁电式传感器不一样，它在工作
的时候其线圈与磁铁部分是相对静止的，由与被测量连接的 物体(导磁材料)的运动来改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线 圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。
第6章 磁电式传感器
6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍 尔 元 件 6.3 感应同步器 6.4 磁电式传感器的应用实例
6.1 磁电感应式传感器
6.1.1 磁电感应式传感器工作原理和结构
磁电感应式传感器简称电动式传感器或感应式传感器。它是
利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈 中的感应电动势输出，是一种机—电能量变换型传感器。工
式中 P——单位体积空穴数(载流子浓度)。
(6-7)
N型半导体的霍尔系数为负值，表明产生的霍尔电压极性与 在P型半导体上产生的霍尔电压相反。
常用灵敏度表征霍尔元件的特性。

KH RH / d
可见灵敏度由霍尔系数与元件厚度决定。
(6-8)
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6.2 霍 尔 元 件
e NBlv
式中 l ——每匝线圈的平均长度； B——线圈所在磁场的磁感应强度。
(6-2)
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6.1 磁电感应式传感器
式(6-2)表明，当B、N和l恒定不变时，便可以根据感应电动 势e的大小计算出被测线速度v的大小。
图6-2示出了角速度型传感器的工作原理，线圈在磁场中以角 速度旋转时产生的感应电动势为
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6.2 霍 尔 元 件
6.2.1 霍尔元件的工作原理
1. 霍尔效应 霍尔元件是基于霍尔效应制作的一种磁电转换元件。所谓霍
尔效应，是指在导电材料中的电流和外磁场互相作用而产生 电动势的物理效应。 金属薄片或半导体薄片置于垂直磁场B中，若在某方向上通 入个UH电现可流象用，称下在为式垂 “表直 霍示U于 尔H电 效流 应R和 ”HdIC磁 。B场UH的K称H方I为C向B“上霍将尔产电生压电”位。差霍(6U-尔H5，)电这压 式能中力的R大H—小—；霍尔系数(m3/C)，它表示该材料产生霍尔效应 IC——控制电流(A)； B——磁感应强度(B)；
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6.1 磁电感应式传感器
1. 磁电感应式振动速度传感器 图6-5所示为 CD-1型磁电感应式振动速度传感器的结构原理
图，它属于动圈式恒定磁通型。永久磁铁3通过铝架4和圆筒 形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁路系统，壳体还 起屏蔽作用。磁路中有2个环形气隙，右气隙中放有工作线圈 6，左气隙中放有圆环形阻尼器2。工作线圈6和圆环形阻尼器 同心轴5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支撑在壳体 上。使用时，将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁3、铝 架4和架体一起随被测体振动。由于质量块有一定质量，产生 惯性力，而弹簧片又非常柔软，因此当振动频率远大于传感 器固有频率时，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，产生感应电动势，通过引 线9接到测量电路中。同时，导体阻尼器也在磁路系统气隙中 运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动 和扩展频率响应范围的作用。
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6.1 磁电感应式传感器
磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。前者用于测量直线位移， 后者用于测量角位移。长磁栅又可分为尺形、带形、同轴形。 目前用得比较广泛的是尺形磁栅和带形磁栅，而同轴形磁栅 结构特别小巧，可用于结构比较紧凑的场合。
磁栅上的磁信号先由录磁头录好，然后由读磁头将磁信号读 出。按读取信号的方式，读磁头可分为动态磁头与静态磁头 两种。动态磁头又称为速度响应式磁头，它只有一组输出绕 组，只有当磁头磁栅有相对运动时，才有信号输出，输出信 号的幅值随运动速度而变化。为了保证一定幅值的输出，通 常规定磁头以一定速度运行。因此，动态磁头不适合长度测 量。普通常见的录音机信号取出就属此类。静态磁头又称磁 通响应式磁头，它在磁头和磁栅间没有相对运动的情况下也 有信号输出。

e kNBS
(6-3)
式中 S——每匝线圈的平均截面积；

k——与结构有关的系数，k<1。
式(6-3)表明，当传感器结构确定后，B、N、S和k皆恒定不变， 便可以根据感应电动势e的大小确定被测量 ，故这种传感 器常被用于测量转速。
所以，可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速 度进行积分或微分就可求出位移和加速度。
磁栅传感器有两个方面的应用。一是作为高精度的测量长度 和角度的测量仪器。二是用于自动化控制系统中的检测元件 (线位移)。例如，在三坐标测量机、程控数控机床及高精度 重、中型机床控制系统中的测量装置，均得到了应用。图6-8 所示为上海机床研究所生产的ZCB-101鉴相型磁栅数显表的 原理框图。
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磁阻式磁电传感器一般常用于测量转速、偏心、振动等，产
生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变 化的频率。其工作原理及应用如图6-3所示。图6-3(a)中齿轮 安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸
引起的磁阻的变化，而使磁通量发生变化，因而在线圈中感 应出交变的电势，其频率等于齿轮的齿数 和转速。其产生的
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
如图6-9所示，将一块厚度为d、宽度为b、长度为 的半导体 薄片(霍尔片)放置在磁场B中，磁场B沿Z轴正方向。此时， 半导体中的载流子(设为电子)将受电场力作用向板面“I”积聚。 由于磁场B的作用对运动电子产生洛仑兹力FB，在电场力和 洛仑兹力作用下，运动电子会改变运动轨迹而向板面Ⅱ偏转 运动。结果在板面I上堆积负电荷，而板面Ⅱ上就有多余正电 荷，两种电荷使半导体内又产生一横向电场E。当电子受到 的洛仑兹力和电场力相平衡时，运动电子的偏转会停止而向 板面I运动。稳定状态下半导体两侧面的负电荷与正电荷相对 积累，形成电动势。这个电动势称为霍尔电动势(或霍尔电 压)。故霍尔电压的特性为：
势，闭合导体回路中感应电动势的大小与回路所包围的磁通
量的变化率成正比，那么当匝线圈在变化磁场中感应电动势

e N d
dt
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(6-1)
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6.1 磁电感应式传感器
式中 N——线圈匝数； ——线圈所包围的磁通量。
磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关， 故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。
作时不需要外加电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小， 又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振 动、转速、扭矩等测量。
根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动切割磁力线 时，闭合导体回路中的磁通量发生变化，导体中就会出现感
应电流，导体中之所以出现感应电流是由于出现了感应电动
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6.2 霍 尔 元 件
d——霍尔元件的厚度(m)；
KH——霍尔元件的灵敏度。 霍尔系数是由材料性质所决定的一个常数。对N型半导体有

RH 1/ nq
(6-6)
式中 n——单位体积电子数(也叫载流子浓度)；
q——电子的电荷量。
对P 型半导体有

RH 1/ Pq
送入一个“带通滤波器”，取出角频率 为(10kHz或50kHz)
的正弦信号，并将其整形为方波。为了检测比一个节距更小 的位移量，需要在一个节距内进行电气细分。“鉴相、内插 细分”电路有“加”、“减”两个脉冲输出端。当磁头正位 移时，电路输出加脉冲，可逆计数器做加法；反之则做减法。 计数结果由多位十进制数码管显示。 目前磁栅数显表多已采用微机来实现图6-8框图中的功能。这 样，硬件的数量大大减少，而功能却优于普通数显表。
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6.1 磁电感应式传感器
2. 磁电感应式转速传感器 图6-6所示是一种磁电感应式转速传感器的结构原理图。转子
2与转轴1固定，转子2 、定子5和永久磁铁3组成磁路系统。 转子2和定子5的环形端面上都均匀地铣了一些齿和槽，两者 的齿、槽数对应相等。测量转速时，传感器的转轴1与被测物 转轴连接，因而带动转子 2转动。当转子2的齿与定子5的齿 相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大；而齿与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此，当定子5不动而转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈4中感应出近似正弦波的电 压信号。转速越高，感应电动势的频率也就越高。其关系为 式(6-4)。
6.1 磁电感应式传感器
图中，晶体振荡器输出的脉冲经分频器变为25kHz方波信号， 再经功率放大后同时送入sin、cos磁头的励磁线圈(串联)，对 磁后得头变到进为相行位e’1，励能然磁 反后。 映将两 位两只 移路磁 量对头 的称分 电的别 动输产 势出生e。信感由号应于送电求到动和求势电和e路1、放的e大2输，电出e1路移信，相号 中还包括有许多高次谐波、干扰等无用信号，所以还需将其
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6.1 磁电感应式传感器
根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，所采用 的信号处理方式也不同。动态磁头只有一组绕组，其输出信 号为正弦波，信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号 放大整形，然后由计数器记录脉冲数，就可以测量出位移量 的大小。但这种方法测量精度较低，而且不能判别移动方向。 静态磁头一般用两个磁头，两个磁头间距为，其中为正整数， 为磁信号节距，也就是两个磁头布置成相位差90°关系。其 信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。
可见灵敏度由霍尔系数与元件厚度决定。
因材料电阻率与载流子浓度，迁移率有关，即

因此

1/ Pq
RH 1/ Pq
(6-9) (6-10)
可迁移见率，也要大想。霍一尔般效金应属强的，RH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。
根据结构方式的不同，磁电式传感器通常分为动圈式和磁阻 式两大类，下面分别对其介绍。
1. 动圈式磁电传感器 动圈式磁电传感器又可分为线速度型与角速度型。图6-1表示
线速度型传感器工作原理。
在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈 沿磁场方向做直线运动时，线圈相对于磁场的运动速度为， 它所产生的感应电动势
上的凸处的位置发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而引起 贯穿线圈的磁通量发生变化。
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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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。