传感技术 第5章 磁电式传感器

第5章磁电式传感器磁电式传感器的传递矩阵和动态特性第5章磁电式传感器基本原理和结构形式5.15.2霍尔传感器5.3磁电式传感器的应用5.45.1基本原理和结构形式磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。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，是一种有源传感器。磁电式传感器有时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。根据法拉第电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dΦ/dt有如下关系：(5-1)

根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。5.1基本原理和结构形式磁铁与线圈之间作相对运动磁路中的磁阻变化恒定磁场中的线圈面积变化Φ磁通量变化关键图5.1

变磁通式结构变磁通式结构永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4（缠绕在磁轭2上）均固定，动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式结构。5.1基本原理和结构形式(a)旋转型(b)平移型

在图5.1（a）中，设动铁心的恒定角速度为ω,线圈截面积为A，磁路中最大与最小磁感应强度之差为B，则两个磁轭上互相串联的两个线圈中的感应电势e为：e=-ωAWBcos2ωt

采用测频或者测幅的方法可以得到铁心的平均转速。5.1基本原理和结构形式

恒磁通式结构工作气隙中的磁通恒定，感应电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。5.1基本原理和结构形式图5.2恒磁通式结构(a)动圈式(b)动铁式

图5.2（a）中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。

当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e为(5-2)式中

B——气隙磁通密度(T)；

l——气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)为l＝laW(la为每匝线圈的平均长度)

v——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。5.1基本原理和结构形式

当传感器的结构确定后，式(5-2)中B、la、W都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为

为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加ｌa和W也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。

(5-3)5.1基本原理和结构形式5.1基本原理和结构形式注意与电感式传感器区别磁电式传感器：利用，测量量变化→感应电压e有源传感器电感式传感器：利用衔铁运动，气隙宽度变化→L变化→U

变化无源传感器5.2磁电式传感器的传递矩阵和动态特性一.传递矩阵图5.2所示的传感器可等效为图5.3(a)所示为质量为m、弹簧刚度为k，阻尼系数为c的单自由度机械振动系统。设在力F作用下产生的振动速度和位移分别为v(图中即ν)和x，由此可列出力平衡方程(5-4)图5.3

一对相似系统(a)单自由度机械振动系统(b)RLC串联电路5.2磁电式传感器的传递矩阵和动态特性

图5.3(b)所示的由电阻R、电感L和电容C组成的串联电路，设电源电压为u，回路电流为i、电荷为q。由此可列出电压平衡方程

这两个微分方程式虽然机电内容不同，但形式相同。因此，这两个系统为一对相似系统。一个系统可以根据求解它的微分方程来讨论其动态特性，故上述两相似系统的动态特性必然一致，可以实现机电模拟。

(5-5)5.2磁电式传感器的传递矩阵和动态特性(5-4)图5.4

磁电式传感器的频响特性二.动态特性5.2磁电式传感器的传递矩阵和动态特性ω:被测振动体的振动频率ωn:传感器的固有频率

由图5.4可以看出：(1)当被测振动体的振动频率ω低于传感器的固有频率ωn，即(ω/ωn)＜1时，传感器的灵敏度随频率变化而明显地变化。(2)当被测体振动频率远高于传感器的固有频率时，灵敏度接近为一常数，它基本上不随频率变化。在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比。这一频段即传感器的工作频段，或称作频响范围。这时传感器可看作是一个理想的速度传感器。(3)当频率更高时，由于线圈阻抗的增加，灵敏度也将随着频率的增加而下降。5.2磁电式传感器的传递矩阵和动态特性一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理1、霍尔效应

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。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。随着半导体技术的发展,开始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应用和发展。5.3霍尔传感器霍尔传感器同其他磁敏传感器一样，能敏感磁场的变化，并将其转化为电信号输出。在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。5.3霍尔传感器wUHwldIFLFEvB2、霍尔元件的工作原理5.3霍尔传感器图霍尔电压形成的定性说明(a)磁场为0时电子在半导体中的流动；(b)电子在洛伦兹力作用下发生偏转；(c)电荷积累达到平衡时,电子流动方向。5.3霍尔传感器式中：e-电子电荷；v-电子运动平均速度；B-磁场的磁感应强度。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。由于外磁场B的作用，每个电子受洛伦兹力FL的作用，ＦL的大小为：FLFEvUHdIwB电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在ＦL的作用下向上漂移，结果使金属导电板上底面积累电子，而下底面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，该电场力为:5.3霍尔传感器定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当ＦL=ＦE时，达到平衡，此时FLFEvUHdIwB式中wd为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数（载流子浓度）。流过霍尔元件的电流Ｉ为5.3霍尔传感器ＫH称为霍尔片的灵敏度，就是在单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。

RＨ称为霍尔常数，很明显，霍尔常数由半导体材料性质决定，且它决定霍尔电势的强弱。3、霍尔系数及灵敏度5.3霍尔传感器由于材料电阻率ρ与载流子浓度和其迁移率μ有关，即则则5.3霍尔传感器金属材料电子μ很高但ρ很小；绝缘材料ρ很高但μ很小;

故为获得较强霍尔效应，半导体材料为最佳霍尔传感器的材料。半导体的电子迁移率远大于空穴，所以N型半导体居多。5.3霍尔传感器霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件几何尺寸有关。在实际应用中，—般要求霍尔元件灵敏度越大越好，由于霍尔元件的厚度d与KH成反比，因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高。故霍尔元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高。5.3霍尔传感器4、霍尔器件符号BACDC、D：霍尔输出端，称为霍尔端或输出端。A、B：电极端，称为元件电流端、控制电流端或输入电流端。红色导线红色导线绿色导线绿色导线一般为4mm×2mm×0.1mm5.3霍尔传感器

二、霍尔元件的主要技术参数1、额定功耗P0:

霍尔元件在环境温度T=250C时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2、输入电阻和输出电阻

Ri：控制电流级间的电阻值。

Ro：霍尔元件电极间的电阻。3、不平衡（不等位）电势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势。5.3霍尔传感器式中：U0——不平衡电势；

r0——不等位电阻；I——激励电流。不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压产生不平衡电势现象的原因有：①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。5.3霍尔传感器不等位电势也可用不等位电阻表示，即4、霍尔电势温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。5、内阻温度系数：

霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。5.3霍尔传感器常用国产霍尔元件的技术参数5.3霍尔传感器5.3霍尔传感器三、霍尔元件的连接方式和输出电路控制电流I由电源E供给，电位器R调节控制电流I的大小。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。1、基本测量电路UHRLIEIHRB由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把Ｉ和B的乘积，或者Ｉ，或者B作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。5.3霍尔传感器为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。直流供电情况:控制电流端并联，由W1，W2调节两个元件的输出霍尔电势。交流供电情况:控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。2、连接方式W1W2UH++++----UH~5.3霍尔传感器3、霍尔电势的输出电路霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式。5.3霍尔传感器5.4磁电式传感器的应用

一、测振传感器磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。

常用的测振传感器有动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等。(一).测振传感器的应用航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。(二).测振传感器的工作特性由图5.3可知，振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器，要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。这样，在较高振动频率下，由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时，振动体(同传感器壳体)相对质量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的振幅x(输入)。5.4磁电式传感器的应用二、磁电式力发生器与激振器

磁电式传感器具有双向转换特性，其逆向功能同样可以利用。如果给速度传感器的线圈输入电量，那么其输出量即为机械量。在惯性仪器——陀螺仪与加速度计中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备，用以获取机械结构的动态参数，如共振频率、刚度、阻尼、振动部件的振型等。除上述应用外，磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。

5.4磁电式传感器的应用三、霍尔传感器的应用霍尔式微位移传感器霍尔式转速传感器霍尔计数装置霍尔式接近开关霍尔特斯拉计霍尔电流传感器5.4磁电式传感器的应用霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点,在位移测量中得到广泛应用。霍尔式微位移传感器磁场强度相同的两块永久磁铁,同极性相对地放置,霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0,因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零,此时位移Δx=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移,霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变,这时UH不为零,其值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。霍尔式微位移传感器如图所示是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连。当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。霍尔式转速传感器霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁霍尔转速表当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。软铁分流翼片

开关型霍尔ICTn=60f4(r/min)霍尔转速表霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔霍尔转速表的安装方法

只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件磁铁霍尔开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件,能感受到很小的磁场变化,因而可对零件进行计数检测。

霍尔计数装置霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关

用霍尔