磁电式检测元件课件

磁电式检测元件

9.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器也称电动式传感器，它是利用导体和磁场相对运动而在导体内感应出电势的原理，构成的机-电能量转换型传感器，它不需要外加电源，结构简单，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），适用于转速、扭矩、振动等的动态测量。9.1.1工作原理与分类

一、

工作原理

如图9.1.1（a）所示的传感器，在磁铁之间放置N匝线圈的绕组，线圈平面与磁力线相垂直。当线圈沿水平方向以速度v相对磁场运动时，由电磁感应定律可知，当磁力线正方向、导体运动速度方向和感应电势正方向三者之间符合右手定则时，线圈中感应电动势为

e=NBlv（9.1.1）

同理，对图9.1.1（b）情况，当N匝线圈与磁力线垂直并以角速度ω旋转时，线圈内感应电势为

e=NBSω（9.1.2）当传感器的结构参数确定后，B、l、N、S均为确定值，此时感应电势仅与线圈相对磁场运动速度成正比，即

e=Kv或e=Kω（9.1.3）

由上述工作原理知，磁电感应式传感器只适用于动态测量，如直接测量振动物体的速度或旋转物体的角速度。如果在其测量电路中接入积分或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。上一页9.1磁电感应式传感器图9.1.1磁电感应式传感器工作原理图

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（a）直线式；（b）旋转式

1—磁铁；2—线圈9.1磁电感应式传感器

二、磁电感应式传感器的分类根据磁通的定义Φ=∫ABdA可知，穿过闭合导电回路所包围面积内磁通量变化的原因有两种情况：（1）回路的位置、形状和大小不变，而回路所在处的磁感应强度随时间变化，因此磁通也随时间在变化。由此而引起的感应电势称为感生电动势，在电磁控制元件中又称变压器电势。（2）回路所在处空间内磁感应强度的分布不随时间变化，但回路的位置、形状和大小在改变，此种情况下回路内的感应电动势称为动生电动势或切割电动势。根据上述原理，磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。1．恒定磁通式

恒定磁通磁电感应式传感器一般由永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（线圈的金属骨架）和壳体等部分组成。根据运动部件的不同，又可分为动圈式如图9.1.2（a）所示和动铁式如图9.1.2（b）所示。

上一页图9.1.2恒定磁通磁电感应式传感器结构原理图返回（a）动圈式；（b）动铁式1—金属骨架；2—弹簧；3—线圈；4—永久磁铁；5—壳体9.1磁电感应式传感器2．变磁通式实质上它应称为变磁阻式或变气隙式。其结构原理如图9.1.3所示。图9.1.3（a）为开磁路变磁通式，线圈和磁铁静止不动，由导磁材料做成的测量齿轮安装在被测旋转体上，随其一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，线圈中感应电势的变化频率等于齿轮的齿数和转速的乘积。图9.1.3（b）为两极式闭磁路变磁通式结构示意图。被测转轴带动十字形铁心在磁场气隙中匀速转动，由于工作气隙长度随转动铁心位置不同而周期变化，相应的磁路磁阻、磁通也以同样周期变化，从而在线圈中感应出频率与转速与铁心齿数乘积成正比的感应电势。

上一页图9.1.3

变磁通磁电感应式传感器结构原理图

返回（a）开磁路变磁通式；（b）闭磁路式1—被测物转轴；2—导磁体铁心；3—线圈；4—软铁；5—永久磁铁9.1磁电感应式传感器9.1.2应用实例一、磁电感应式振动速度传感器这是一种恒定磁通磁电感应式传感器，结构原理如图9.1.4所示。永久磁铁通过铝支架和圆筒形导磁材料制成的壳体固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。二、

磁电感应式转速传感器

它是一种变气隙磁阻式磁电感应传感器。图9.1.5是它的结构原理图。转子和定子都用工业纯铁制成，并在其环形端面上均匀地铣有齿和槽，定子、转子上的齿、槽数相等。定子、转子和永久磁铁构成了传感器的磁路系统。

磁路中磁通将周期性地变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号，转速越高，感应电势频率也就越高，它们之间关系为

f=Zn/60（9.1.4）Z——定（转子）端面上的齿数；n——被测物每分钟转数。

上一页图9.1.4振动速度传感器

返回1,8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝支架；5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线；10—质量块图9.1.5变磁阻式磁电感应转速传感器返回1—转轴；2—转子；3—永久磁铁；4—线圈；5—定子9.1磁电感应式传感器

三、磁电感应式扭矩传感器它也属于变磁通式，结构原理如图9.1.6所示。转子包括线圈固定在传感器轴上，定子永久磁铁固定在传感器外壳上，定、转子上都有相等的齿和槽。磁电感应式传感器除了上述一些应用外，还可构成电磁流量计，用来测量具有一定电导率的液体流量，它的优点是反应快，易于自动化和智能化。

上一页返回图9.1.6磁电感应式扭矩传感器示意图

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1—定子（包括永久磁铁）；2—线圈；3—转子；4—传感器轴9.2霍尔传感器

霍尔传感器（或霍尔开关）是利用半导体材料的磁电效应（又称霍尔效应）将被测物理量如电流、磁场、位移、压力、加速度等转换成电动势输出的一种传感器。9.2.1工作原理、材料及基本电路

一、工作原理半导体霍尔元件是一块直角平行六面体的单晶N型（或P型）半导体薄片，如图9.2.1所示。它的四个侧面分别焊上输入引线a、b和输出引线c、d。输入引线与元件接点称为控制电流极，输出引线与元件接点称为霍尔电势极。元件符号图如图9.2.1（b）所示。霍尔电势，用UH表示。它的大小正比于磁场磁感应强度与控制电流的乘积。

UH=KHiB/b

(V)（9.2.1）

图9.2.1霍尔元件原理图

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（a）原理图；（b）符号图9.2霍尔传感器二、材料和结构霍尔元件一般采用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。因此，采用砷化铟材料的霍尔元件受到普遍重视和广泛应用。霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，一般采用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。上一页9.2霍尔传感器

三、基本电路霍尔元件的基本电路如图9.2.2所示。控制电流由电源E供给。PR为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔输出电势接负载RL，它可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示仪表的内阻。在实际使用时，I或B，或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B，或者两者的乘积。9.2.2电磁特性霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间的关系UH=f（I）、霍尔电势与磁场（恒定或交变）之间的关系UH=f（B）等特性。下面简要介绍上述两种特性。上一页图9.2.2霍尔元件的基本电路返回

一、UH=f（I）特性在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用Ki表示。由于磁场是恒定的，磁感应强度为常数，所以

UH=KiI/b（9.2.2）式中，Ki=KHB。二、UH=f（B）特性当控制电流一定时，霍尔元件的开路（空载）输出电势与磁场并不完全呈线性关系，实验证明，只有B在0.5Wb/m2以下工作时，UH=f(B)特性线性度才比较好。上一页9.2霍尔传感器9.2霍尔传感器

9.2.3应用实例霍尔元件不仅可做成无触点开关，而且用霍尔元件构成的霍尔传感器被广泛应用于自动控制、信息处理和非电量电测等领域，如测量恒定和交变磁场的高斯计，位移、压力、流量传感器，利用控制电流和磁感应强度同时改变的原理构成的乘法器、功率计等。

一、霍尔无触点开关无触点开关工作原理如图9.2.5所示。当铁磁材料的工件以速度v运动到永久磁铁N、S极下时，工件与磁极间形成闭合磁路，使磁路中的磁场增强，它垂直穿过在N极下的霍尔元件H，在控制电流I不变的情况下，霍尔电势UH将增大，输出增大。上一页图9.2.5霍尔无触点开关

返回(a)工作原理图；(b)电路原理图

二、霍尔位移传感器传感器磁场是由两对N、S相反放置的磁极所组成，在两对磁极的中间区域构成一个均匀梯度的磁场，即dB/dx为常数。将霍尔元件置于此磁场中，保持控制电流恒定，当霍尔元件沿x方向（向左或向右）移动时，元件将输出一个与磁感应强度成