第8章磁电式传感器

检缺口
检齿
第 8章
8.2
磁电式传感器
霍尔式传感器
8.2.4 霍尔传感器的应用 霍尔传感器位移测量原理
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8.2
磁电式传感器
霍尔式传感器
8.2.4 霍尔传感器的应用
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磁电式传感器
8.2 霍尔式传感器 8.2.4 霍尔传感器的应用 霍尔压力传感器结构原理
测转角： 测转角：
电流传感器
当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场， 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场， 磁场大小与流过导线的电流大小成正比， 磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场 可以通过软磁材料来聚集， 可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检 测。
铁磁材料裂纹检测
N
S
案例：汽车速度测量 案例：汽车速度测量:
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8.3 磁敏传感器 8.3.1 磁敏电阻器 磁阻效应： 载流导体置于磁场中, 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, 效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转, 载流子运动方向偏转使电流路径变化, 载流子运动方向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。 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) 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。 的现象称磁阻效应。
霍尔常数（ 式中 RH——霍尔常数（m3C-1） 霍尔常数 I——控制电流（A） 控制电流（ ） 控制电流 B——磁感应强度（T） 磁感应强度（ ） 磁感应强度 d——霍尔元件的厚度（m） 霍尔元件的厚度（ ） 霍尔元件的厚度 令 KH=RH/d（VA-1Wb-1m2） （
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8.2 霍尔式传感器 8.2.1 霍尔效应 霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测， 霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对 象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。 象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是 直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性， 直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受 检对象上人为设置的磁场， 检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的 载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力 力矩、 载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、 压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、 压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、 转数、转速以及工作状态发生变化的时间等 转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来 进行检测和控制。 进行检测和控制。
8.2 霍尔式传感器
8.2.4 霍尔传感器的应用 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。 霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。
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8.2
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霍尔式传感器
8.2.4 霍尔传感器的应用 霍尔元件符号
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霍尔式传感器
8.2.4 霍尔传感器的应用 (1)位移测量 (2)测转速 (3)计数装置(导磁产品) 计数装置(导磁产品)
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8.1 磁电感应式传感器（电动式） 磁电感应式传感器（电动式） 8.1.2 基本特性 由
e = −NBlv = sv
可得； 可得； 常数) e = sv(常数)
传感器灵敏度： 传感器灵敏度： 电流灵敏度: 电流灵敏度
S = −NBl
I0 SI = v
S = ν U0
电压灵敏度： 电压灵敏度：
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霍尔式传感器
8.2.4 H =f（B），这 ），这 维持 、kH 不变，则传感器的输出 （ ）， 方面的应用有测量磁场强度的高斯计、 方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍 尔转速表、磁性产品计数器、 尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基 于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等; 于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等 维持I、 不变 则传感器的输出EH =f（ kH ）， 不变， 维持 、B不变，则传感器的输出 （ 这方面的应用有角位移测量仪等。 这方面的应用有角位移测量仪等。 维持k 不变， ），即传感器的输出 维持 H不变，则EH=f（IB），即传感器的输出 （ ），即传感器的输出EH 的乘积成正比， 与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、 、 的乘积成正比 这方面的应用有模拟乘法器、 霍尔式功率计等。 霍尔式功率计等。
dΦ e = −N dt
e = −BlNν
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磁电式传感器是利用电磁感应原理， 将运动速度、 磁电式传感器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。 位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。 工作时不需要外加电源， 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。是典型的有源传感器。 能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大， 稳定可靠， 可简化二次仪表， 特点 ： 输出功率大 ， 稳定可靠 ， 可简化二次仪表 ， 但频率响应低。通常在10 100HZ 10— HZ适合作机械振动测 但频率响应低 。 通常在 10—100HZ适合作机械振动测 转速测量。传感器尺寸大、 量、转速测量。传感器尺寸大、重。 机 电 械 量 磁电式传感器 能
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8.2 霍尔式传感器 8.2.1 霍尔效应
霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（ 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体 薄片） 两端通以控制电流I ， 在薄片垂直方向施加磁感 薄片 ） 两端通以控制电流 I 强度B 的磁场， 强度 B 的磁场 ， 在薄片的另外两侧会产生一个与控制电 和磁场强度B的乘积成比例的电动势U 流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势UH 。这种现象称 霍尔效应。 霍尔效应。 霍尔电势可用下式表示: 霍尔电势可用下式表示
ν
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8.1 磁电感应式传感器（电动式） 磁电感应式传感器（电动式） 根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场, 恒磁通式：磁路系统恒定磁场,运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。 可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。 转动物体引起磁阻、磁通变化。 恒磁通式
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8.3 磁敏传感器
上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。 上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于 磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生 磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻 变化，如果将它们接于电桥， 变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变 化。 磁阻效应与材料性质及几何形状有关， 磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材 磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。 料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。 磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。 磁阻元件可用于位移、 加速度、磁场等参数的测量。
磁阻效应表达式： 磁阻效应表达式：
ρB = ρ0 (1+ 0.273µ B )
2 2
磁感应强度为B时的电阻率 时的电阻率； 式中 ρB — 磁感应强度为 时的电阻率； ρ0 — 零磁场下的电阻率； 零磁场下的电阻率； µ — 电子迁移率； 电子迁移率； B — 磁感应强度。 磁感应强度。
当电阻率变化为∆ρ＝ 当电阻率变化为 ＝ρB -ρ0时，则电阻率的相对 变化为： 变化为： ∆ρ/ρ0 = 0.273µ2B2 = Kµ2B2。 由此可知， 磁场一定时迁移率越高的材料（ 由此可知 ， 磁场一定时迁移率越高的材料 （ 如 InSb、 InAs和 NiSb等半导体材料 ） ， 其磁阻 等半导体材料） 、 和 等半导体材料 效应越明显。 效应越明显。
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8.1 磁电感应式传感器（电动式） 磁电感应式传感器（电动式） 8.1.3 磁电感应式传感器的应用 信号输出送测量电路 • 接入积分电路测量位移； 接入积分电路测量位移； • 接入微分电路测量加速度。 接入微分电路测量加速度。
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8.2 霍尔式传感器 8.2.1 霍尔效应
第 8章 磁电式传感器 磁电感应式传感器（电动式） 8.1 磁电感应式传感器（电动式） 8.1.3 恒磁通磁电感应式传感器的应用 恒磁通电磁式传感器通常用来做机械振动测量。 恒磁通电磁式传感器通常用来做机械振动测量。 机械振动测量 振动传感器结构大体分两种： 振动传感器结构大体分两种： 动钢型（线圈与壳体固定） ① 动钢型（线圈与壳体固定） 动圈型（永久磁铁与壳固定） ② 动圈型（永久磁铁与壳固定） 磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度， 磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度， 磁路空气隙中的线圈切割磁力线， 磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速 度的感应电动势 。
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8.1 磁电感应式传感器（电动式） 磁电感应式传感器（电动式） 8.1.1 工作原理 根据电磁感应定律， 根据电磁感应定律 ， N匝线圈在磁场中运动切割磁 力线，线圈内产生感应电动势e 力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈 的磁通Φ变化率有关。 的磁通Φ变化率有关。
第8章 磁电式传感器
8.1 磁电感应式传感器 8.2 霍尔式传感器 8.3 磁敏传感器
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磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应， 磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应， 电磁感应效应 磁阻效应等电磁现象 等电磁现象， 或磁阻效应等电磁现象，把被测物理量的变化 转变为感应电动势的变化，实现速度， 转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等 参数测量。 参数测量。 按电磁转换机理的不同， 按电磁转换机理的不同，磁电式传感器可分为 磁电感应式传感器，霍尔式传感器， 磁电感应式传感器，霍尔式传感器，和磁阻效 应传感器等 应传感器等。 广泛用于建筑，工业等领域中振动，速度， 广泛用于建筑，工业等领域中振动，速度，加 速度，转速，转角，磁场参数等的测量。 速度，转速，转角，磁场参数等的测量。
e = −BlN ν
e ∝v
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8.1 磁电感应式传感器（电动式） 磁电感应式传感器（电动式） 8.1.3 磁电感应式传感器的应用
适用于振动、转速、扭矩等测量。 适用于振动、转速、扭矩等测量。
动圈型
动钢型
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8.1 磁电感应式传感器（电动式） 磁电感应式传感器（电动式） 8.1.3 变磁通磁电感应式传感器的应用
霍尔传感器也是一种磁电式传感器。 霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利 用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电 动势输出的一种传感器。 动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态 具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、 下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、 体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、 体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、 动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿 ）、寿 动态范围大（输出电势变化范围可达 ）、 命长等特点，因此获得了广泛应用。 命长等特点，因此获得了广泛应用。
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8.3 磁敏传感器
磁阻元件类似霍尔元件， 磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是 利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应 或称高斯效应)。 利用半导体材料的磁阻效应 或称高斯效应 。 磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势 相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流 相对于电流的方向， 方向的横向电压， 方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方 向的电阻变化
线圈3和磁铁 静止不动 测量齿轮1（导磁材料制成） 线圈 和磁铁5静止不动，测量齿轮 （导磁材料制成）每转 和磁铁 静止不动， 过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电 过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈 产生的感应电 动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积 上齿轮的齿数和转速的乘积。 动势的变化频率等于测量齿轮 上齿轮的齿数和转速的乘积。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋ ℃的 ～＋90℃ 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在 ～＋ 温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、 温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条 件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达 件下工作。但它的工作频率下限较高，约为 ， 100Hz。 。