磁电式传感器

同学们好！1第七章磁敏式传感器磁敏传感器磁场电能测量原理：对磁场参量敏感，通过磁电作用将被测量（振动、位移、转速等）转换为电信号。分类霍尔式－－霍尔效应磁电感应式－－电磁感应2主要内容

7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器37.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。

47.1.1工作原理

根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为5恒磁通式传感器

6工作原理：

磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图（a））和动铁式（图

(b)）的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。

7变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路

变磁通式磁电传感器8图（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。

9图

(b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。

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7.1.2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，磁电传感器的输出电流Io为

式中：Rf——测量电路输入电阻；

R——线圈等效电阻。

传感器的电流灵敏度为

11而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为

B值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况：线圈电阻与指示器电阻匹配问题如图7.3所示，因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。线圈的发热问题传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。12测量误差

当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为13非线性误差

主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。这种影响分为两种情况

14温度误差

温度误差补偿办法：在结构允许的情况下，在传感器的磁铁下设置热磁分路，进行温度补偿。

15动态特性

当被测物振动频率低于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度是随振动频率的升高而明显增加的；当振动频率远大于传感器固有频率时，传感器的灵敏度接近为一个常数，它基本上不随频率变化，即在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比关系，这一频段就是传感器的理想工作频段；在振动频率更高（过大）的情况下，线圈阻抗增加，传感器灵敏度会随着振动频率的增加反而下降。167.1.2测量电路177.1.3磁电感应式传感器的应用CD-1型振动速度传感器1圆形弹簧片2圆环形阻尼器3永久磁铁4铝架（非导磁）5芯轴6线圈7壳体8圆形弹簧片9引线磁电感应式振动速度传感器

18磁电感应式扭矩传感器1920电磁流量计21导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势液体的体积流量式中,K为仪表常数，K=4kB/πD

在管道直径确定，磁感应强度不变的条件下，体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系，而与流体密度、粘度、温度、压力和电导率无关。22电磁流量计＝流量传感器＋转换器23§7-2霍尔传感器一、霍尔效应——霍尔元件灵敏度——霍尔电势1、定义霍尔：1879年半导体24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，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。霍尔效应252、霍尔电势的产生N型半导体：洛仑兹力电场力动态平衡P型：令霍尔系数电流26或或半导体绝缘体金属材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度特性及线性度好灵敏度最高、受温度影响大输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件27二、霍尔元件的主要技术参数及特点（1）额定激励电流IH——霍尔元件温升10℃时所加的电流焦尔热散热——表面散热系数（2）不平衡电势U0不等位电势、零位电势——IH、B=0、空载霍尔电势原因：两个霍尔电极不在同一等位面上材料不均匀、工艺不良

28（3）输入电阻Ri

、输出电阻R0Ri

——控制电流电极间的电阻R0——输出霍尔电势电极间的电阻B=0欧姆表（4）霍尔电压VH

0.10.20.30.4250200150100500

0.10.20.30.4250200150100500（5）霍尔电压的温度特性负温度特性29霍尔元件的主要技术指标30三、霍尔元件连接方式和输出电路1、基本测量电路特点：（1）测量磁物理量、电量及其它物理量（2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件（3）输出信号的信噪比大（4）频率范围宽：直流~数百千赫兹（5）体积小、重量轻（6）稳定性好、寿命长31四、霍尔元件的测量误差及补偿方法1、零位误差及补偿半导体固有特性半导体制造工艺缺陷零位误差温度误差`A、B非同一等位面：U0=0、电桥不平衡电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻32（a）（b）332、温度误差及补偿电阻率、迁移率、载流子浓度：T霍尔元件内阻、霍尔电势：T34五、霍尔传感器的应用1、霍尔位移传感器磁场梯度越大，灵`敏度越高`测量范围：1~2mm352、磁感应强度测量仪ASL3501M：霍尔线性集成传感器RP1：调整表头量程RP2：调零

C1：低通滤波测量上限：0.3T3、直流功率测量仪V364、转速测量图7-17霍尔转速传感器结构输入轴`霍尔传感器（a）（b）

37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38霍尔转速表原理

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。39霍尔转速计数原理40霍尔转速表的其他安装方法

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41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。425、测量电流测量大直流电流（10kA）：电阻器分流霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场（1）导线旁测法（2）导线贯穿磁芯法简单、测量精度差、受外界干扰大`环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度436、测量表面覆盖层厚度铁磁性物质非磁性涂层0123

500400300200100447、自动凭票供水装置控制电路参考书：黄继昌等编，《传感器工作原理及应用实例》，人民邮电出版社，199845

图7-19霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件磁钢压力P波登管NSSN8、霍尔式压力传感器46霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力P，并将P转换为弹性元件的位移量x，即x＝KPP，其中系数KP为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，B＝KBx，其中斜率KB为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x。这样，霍尔电势UH与被测压力P之间的关系就可表示为UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍尔式压力传感器的输出灵敏度。479、霍尔计数装置图7-20霍尔计数装置及电路(a)工作示意图霍尔开关传感器绝缘板磁铁NS(b)电路图+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3`R2计数器4810、汽车霍尔电子点火器霍尔传感器隔磁罩磁钢缺口霍尔传感器隔磁罩磁钢缺口当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出≤0.4V的低电平；当隔磁罩竖边的凸出部分