传感器原理及应用第7章 磁电式传感器.

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1、传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 主要内容： 7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器 7.3 磁敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 概述概述 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势 输出；输出；磁电式磁电式传感器就是利用电磁感应原理，将运动传感器就是利用电磁感应原理，将运动速度速度 、位移位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。等物理量转换成线圈中的感应电动势输

2、出。 磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被磁电感应式传感器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。是典型的测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器有源传感器。 特点：特点：输出功率大输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频，稳定可靠，可简化二次仪表，但频 率响应低，通常在率响应低，通常在1010100HZ100HZ，适合作机械振动测量、转，适合作机械振动测量、转 速测量。传感器速测量。传感器尺寸大尺寸大、重。、重。 磁电式传感器 机械能 电 量 概述概述 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 传感器原理及应用传

3、感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速 磁电传感器 概述概述 电感式传感器是把被测 量转换成电感量的变化， 磁电式传感器通过检测 磁场的变化测量被测量。 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.1 7.1.1 工作原理工作原理 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 vv 根据电磁感应定律，根据电磁感应定律，N N匝线圈在磁场中运动切割磁力线匝线圈在磁场中运动切割磁力线 ，线圈内产生感应电动势，线圈内产生感应电动势e e的大小与穿过线圈的磁通的大小与穿过线圈的磁通变化变化

4、 率有关。率有关。 式中：式中：B B 磁感应强度，磁感应强度， N N 0 0 线圈匝数，线圈匝数， L L 每匝线圈长度每匝线圈长度 ， V V 运动速度运动速度 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 电压灵敏度： 由 磁电式传感器灵敏度： 电流灵敏度: 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.1 7.1.1 工作原理工作原理 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：

5、磁路系统恒定磁场，运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。 恒磁通式 变磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 变磁通式 开磁路闭磁路 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器

6、磁电式传感器 动钢型动圈型 恒磁通式 磁电感应式传感器 通常用来做机械振动 测量。振动传感器结 构大体分两种： 动钢型（线圈与 壳体固定） 动圈型（永久磁 铁与壳固定） 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 （线圈随被测物体运动 ） 1-弹簧片 2-阻尼环 3-磁铁 4-铝支架 5-芯轴 6-线圈 v 动圈式振动速度传感器 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感

7、应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 输出不从零开始，从 Va 开始 V Va 必需克服静摩擦力, 才能相对运动； V Vc 惯性太大超过范围 振动传感器输出特性 磁铁与线圈之间相对运动，运动速度接近振动速度 ， 磁路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 ： 电动势正比与振动速度 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 n 信

8、号输出送测量电路 直接输出电动势测量速度 ； 接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度 。 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 v 积分电路输出测量位移 If C Ii R Ui U0 - + 理想情况 设电容C上初始电压为零，U（0）=0 则有： 因为 电容上电压在t=0以后 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用

9、 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 v 微分电路输出测量加速度 If Rf Ic C Ui U0 - + 理想情况 因为 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 v 磁电式扭距传感器： 当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应 电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比， 传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号 。 转轴 测量电路 磁电传感器1磁电传感器2

10、齿型转盘 u1 u2 u 7 71 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式） 7.1.2 7.1.2 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式振动传感器的特点： 磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准 参考，可直接装在被测体上。 传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机 械能转化为电能输出。 速度传感器的输出电压正比于速度信号 ，便于 直接放大。 输出阻抗低几十几千欧，对后置电路要求低，干扰小 。 v航空，发动机等设备的振动实验； v兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第

11、二次发射 ； v民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 _ _ 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 实际应用中磁 敏元件主要用于 检测磁场，而与 人们相关的磁场 范围很宽，一般 的磁敏传感器检 测的最低磁场只 能到 高斯。 磁场强度与磁场源的分布 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 测磁的方法： 利用电磁感应作用的传感器（强磁场）如： 磁头、机电设备、测转速、磁性标定、差动变压器； 利用磁敏电阻、磁敏二极管、霍尔元件测量磁场；

12、 利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器； 利用超导效应传感器，SQVID 约瑟夫元件； 利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。 随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。 概述概述 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 霍尔霍尔传感器属于磁敏元件，传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转磁敏元件也是基于磁电转 换原理，换原理，磁敏传感器是把磁敏传感器是把磁学物理量磁学物理量转换成电信号。转换成电信号。 随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展， 广泛用于自动控制、信息传递、电

13、磁场、生物医学等广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等 方面的电磁、压力、加速度、振动测量。方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。 磁敏传感器 磁学量 电信号 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 把一个导体（半导体薄片）两端通以电 流I，在垂直方向施加磁感强度B的磁场， 在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流 I和磁场强度B的乘积成比例的电动势 。 或通电的导体（半导体）放在磁场

14、中， 电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧 会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应 。 1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为 太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体 材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传 感器是基于霍尔效应 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧 ： 霍尔电场 霍尔电场作用于电子的力 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器

15、 7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡： 通过（半）导体薄片的电流I与下列因素有关： 载流子浓度n，电子运动速度v，导体薄片横截面积 b*d， e 为电子电荷量。 霍尔电势： 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 代入后： 与薄片尺寸有关 与材料有关 霍尔灵敏度 霍尔常数 式中：电阻率、n电子浓度 电子迁移率=/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。 霍尔电势与电 流和磁场强度 的乘积成正比 7.2 7.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件; 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用