磁电式传感器1

2023/2/41第7章磁电式传感器麦克斯韦电磁场理论

变化的磁场在周围空间产生电场，当闭合回路导体处在此电场中时，导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生感应电流；如果不是闭合回路，则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生感应电动势。

被测量→电信号分类：磁电感应式、霍尔式和磁敏式2023/2/42一磁电感应式传感器1、工作原理法拉第电磁感应定律：Φ为磁通量B为磁感应强度l为导体长度v相对运动速度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2023/2/43其中：1-永久磁铁2-软磁铁3-感应线圈4-测量齿轮5-内齿轮6-外齿轮7-转轴(1)变磁通式a开磁通式b闭磁通式磁电感应式传感器分类：变磁通式和恒磁通式2023/2/44①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，随之一起转动。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。2023/2/45②闭磁路变磁通式：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生电动势。

显然，感应电势的频率与被测转速成正比。采用测频的方法可以得到被测物体的转动速度。2023/2/46(2)恒定磁通式工作气隙中的磁通恒定永久磁铁

线圈相对运动线圈不动，磁铁运动线圈运动，磁铁不动动圈式动铁式2023/2/47感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比B——气隙磁感应强度(Wb/m2)l——线圈导线总长度(m)S——线圈所包围的面积(m2)v——线圈和磁铁间相对运动的速度(m/s)ω——线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s)α——运动方向与磁感应强度方向的夹角式中：磁铁和线圈的相对运动产生切割磁力线从而产生感应电势2023/2/48磁电式传感器：利用，测量量变化→感应电压e有源传感器电磁式传感器：利用衔铁运动，Rm变化→L变化→U

变化无源传感器注意与电磁式传感器区别2023/2/492、基本特性当测量电路接入磁电传感器电路中,传感器的输出电流Io为式中:Rf——测量电路输入电阻l——每匝线圈平均长度

R——线圈等效电阻N——线圈匝数传感器的电流灵敏度为运动速度传感器ERRfI02023/2/410而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为：

当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化而产生测量误差。相对误差为：2023/2/411(1)非线性误差

磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:

由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通ΦI，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化，如图所示2023/2/412当产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感生电势E、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向,从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值2023/2/413为补偿上述附加磁场干扰,可在传感器中加入补偿线圈,如图所示。补偿线圈通以经放大K倍的电流,适当选择补偿线圈参数,可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消,从而达到补偿的目的。补偿线圈2023/2/414对铜线而言，当温度变化时每摄氏度变化量为：dL/L≈0.167×10-4

dR/R≈0.43×10-2温度变化时对铝镍钴永久磁合金dB/B≈-0.02×10-2这样可得近似值：γt≈(-4.5%)/10℃这一数值是很可观的,所以需要进行温度补偿。(2)温度误差2023/2/415热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。温度正常时将空气气隙磁通分路掉一小部分；而当温度过高时，它的磁导率显著下降，分流掉的磁通显著降低，从而保持空气气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。2023/2/416磁电式传感器是速度传感器，通常具有较高的灵敏度，不需要增益放大器。积分：将速度转换成位移，s＝∫vdt微分：速度转换成加速度，a＝dv/dt磁电式传感器量程选择321前置放大微分电路积分电路主放大器显示或记录3’2’1’3、测量电路2023/2/417(1)磁电式相对速度计

1-顶杆2,5-弹簧片3-磁铁4-线圈6-引出线7-外壳4、应用

测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比。相对式速度计可测量的最低频率接近于零。2023/2/418(2)磁电式扭矩传感器2023/2/419在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电传感器。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。2023/2/420二霍尔式传感器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。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。2023/2/421半导体薄片+磁场B+电流I电动势EE⊥(B,I)1、霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。2023/2/422（洛伦兹力）e——电子电荷量v——电子速度B——磁感应强度（电场力）EH——静电场强度电荷累积达到动态平衡时2023/2/423流过基片的电流称激励电流或控制电流：I=n×e×v×bdn——N型半导体载流子(电子)浓度I=p×e×v×bdp——P型半导体载流子(空穴)浓度

bd——与电流方向垂直的截面积霍尔电势：其中：RH＝1/ne(N型半导体）——霍尔常数

1/pe(P型半导体）

KH＝RH/d——霍尔片灵敏度为提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状2023/2/424霍尔元件激励极间电阻(N型半导体）ρL/bd＝

R＝U/I=EL/I=vL/μnevbd其中：μ＝v/E——电子迁移率金属半导体绝缘体电阻率小大大载流子迁移率高高低目前常用霍尔元件材料：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。2023/2/4252、霍尔元件(1)基本结构霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。1、1´引线（激励/控制电极）施加激励电源或电流2、2´引线（霍尔电极）为霍尔输出引线。2023/2/426

①额定激励电流——霍尔元件自身温升10℃所流过的激励电流最大允许激励电流——霍尔元件允许最大温升对应的激励电流。改善霍尔元件散热条件，使I增大→UH增大②输入电阻——霍尔元件激励电极间的电阻值；输出电阻——霍尔电极输出电势对外等效为电压源，其内阻值测量条件：B=0，t＝20℃±5℃③不等位电势——理想条件I=0，B＝0→UH＝0；实际上，UH≠0(2)基本特性④寄生直流电势——B＝0，I为交流时，交流UH＋直流电势e。原因：激励电极和霍尔电极接触不良，造成整流现象；霍尔电极大小不对称，热容不同，散热不同形成温差电势寄生直流电势一般在1mV以下,它是影响霍尔温漂的原因之一⑤

霍尔电势温度系数B、I一定，△t＝±1℃，△UH/UH×100%。2023/2/427不等位电压U0U0=R0I当B=0，I≠0霍尔电极装在不同等位面上，产生不等位电压U0霍尔元件的不均匀电阻率或厚度也会产不等位电压(3)不等位电势补偿激励电极接触不良造成激励电流分布不均匀2023/2/428电桥补偿办法

将霍尔元件看成四臂电桥，不等位电压相当于电桥不满足平衡条件下的不平衡输出电压，因而可以外接电阻以补偿其桥路的不平衡输出。

不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过之，在使用中要消除不等位电势是及其困难的，为此必须采用补偿方法。2023/2/429

霍尔元件由半导体构成，许多参数具有较大温度系数。当温度发生改变时，其载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都随温度变化，产生温度误差。

通过选用温度系数小的元件或采用恒温措施可以减小霍尔元件温度误差。(4)温度补偿2023/2/430①

恒流源供电，并联电阻保持升温前后霍尔电势不变，则有：当T0®T即只需满足：2023/2/431②

恒压源供电，串联电阻当T0®T即只需满足：保持升温前后霍尔电势不变，则有：2023/2/432③合理选择负载电阻RL的值

霍尔元件的输出电阻和霍尔电势与元件温度有一定的函数关系，可选择负载电阻RL的值使得输出电压UL不随温度变化。令则得到2023/2/433具有正温度系数温度误差具有负温度系数温度误差④采用温度补偿元件（热敏电阻）2023/2/434⑤使用桥路补偿电路2023/2/435为了增加输出的霍尔电压、功率直流供电时控制电流端并联霍尔元件串联交流供电时输出通过变压器耦合3、霍尔式传感器2023/2/4364、霍尔式传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。2023/2/437（1）当B恒定，UH与I呈线性关系（2）当I恒定，UH与B成正比（3）当I恒定，元件在均匀梯度磁场中运动时直接测量电流能转换成电流的其它物理量测量交、直流磁感应强度可测量微位移，以及压力、加速度、振动等（4）当B→励磁电流I2时，UH＝KI1I2霍尔元件做成乘法器、乘方器、开方器、除法器2023/2/438霍尔元件开方器×I0

B运放UHUiRL-++-2023/2/439霍尔特斯拉计霍尔元件2023/2/440霍尔传感器用于测量磁场强度

霍尔元件测量铁心气隙的B值2023/2/441

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2023/2/442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2023/2/443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。2023/2/444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。2023/2/445霍尔式接近开关

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。

在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。2023/2/446霍尔式接近开关用于转速测量演示软铁分流翼片

开关型霍尔ICTn=60f4(r/min)2023/2/447霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。2023/2/448霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔IC

EH=KHI0BII2023/2/449霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口2023/2/450霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A2023/2/451钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示2023/2/452钳形表的环形铁心可以张开，导线由此穿过霍尔钳形电流表演示70.9A2023/2/453霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的铁心张开将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中2023/2/454霍尔钳形电流表的使用

叉形钳形表漏磁稍大，但使用方便

用钳形表测量电动机的相电流2023/2/455霍尔传感器电流测量2023/2/4562023/2/457能够改善霍尔器件的温度磁场特性2023/2/458霍尔计数装置2023/2/459霍尔计数装置2023/2/460设：有功功率二倍频交流分量5测量功率2023/2/461磁敏二极管和磁敏三极管1、磁敏二极管三磁敏传感器一种磁电转换元件，可将磁信息转换成电信号特点：体积小；灵敏度高；响应快；无触点；输出功率大；性能稳定应用：磁场检测；磁力探伤；转速测量；电流测量；无触点开关；无刷直流电机2023/2/462(1)基本结构及工作原理P+-i-N+

型二极管i为高纯度半导体材料r为高复合区①当B＝0，通过i区形成电流——少量复合②当B+≠0，由于F的作用，电子与空穴偏向r区，迅速复合，电流减小。③当B-≠0，由于F的作用，电子与空穴偏向i区，复合减小，电流变大。电流的