磁电式检测元件

1、2 检测技术与检测元件 1 2.检测技术与 检测元件 第8节 磁电式检测元件 2 检测技术与检测元件 2 基本要求基本要求 掌握掌握磁电感应式检测元件磁电感应式检测元件的基本工作原理、的基本工作原理、 类型类型 掌握掌握霍尔式检测元件霍尔式检测元件的基本工作原理的基本工作原理 会分析会分析磁电感应式检测元件、霍尔式检测磁电感应式检测元件、霍尔式检测 元件元件的应用的应用 2 检测技术与检测元件 3 磁电式传感器磁电式传感器 机械能机械能 电电 量量 根据根据电磁感应定律电磁感应定律，导体和磁场发生相对，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；运动时，在导体两端有感应电动势输出；

2、 磁电感应式检测元件就是利用磁电感应式检测元件就是利用电磁感应定电磁感应定 律律，实现将运动速度、位移等物理量转换，实现将运动速度、位移等物理量转换 成线圈中的感应电动势输出。成线圈中的感应电动势输出。 2.8.1 磁电感应式检测元件磁电感应式检测元件 2 检测技术与检测元件 4 - - + + u e i d eN dt 工作原理工作原理 2 检测技术与检测元件 5 根据工作原理，磁电感应式检测元件的主要结构形根据工作原理，磁电感应式检测元件的主要结构形 式分两种类型式分两种类型 恒定磁通式（恒磁阻式）恒定磁通式（恒磁阻式） 变磁通式（变磁阻式）变磁通式（变磁阻式） 2 检测技术与检测元件

3、6 工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线圈工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线圈 相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。 1.1.恒磁阻式检测元件恒磁阻式检测元件 2 检测技术与检测元件 7 （1）线速度型）线速度型动圈式动圈式 永久磁铁永久磁铁 线圈线圈 弹簧弹簧 1.1.恒磁阻式检测元件恒磁阻式检测元件 2 检测技术与检测元件 8 1.1.恒磁阻式检测元件恒磁阻式检测元件 2 检测技术与检测元件 9 输出线输出线 弹簧片弹簧片 线圈线圈 芯轴芯轴 磁铁磁铁 阻尼环阻尼环 壳体壳体 S N N S 注意兰色可移动部分！注意兰色可移动部分！ 输出：输出：

4、感应电动势感应电动势- 正比于机械振动。正比于机械振动。 1.1.恒磁阻式检测元件恒磁阻式检测元件 2 检测技术与检测元件 10 线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；线圈运动方向与磁场方向之间的夹角； sinNBlve =900NBlve 1.1.恒磁阻式检测元件恒磁阻式检测元件 2 检测技术与检测元件 11 线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感 生电势为：生电势为： sinsinNBlv dt dx NBle B： 磁场磁感应强度；磁场磁感应强度；L:每匝线圈的有效长度；每匝线圈的有效长度； ：线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；：线圈运动方向

5、与磁场方向之间的夹角； v： 线圈与磁场之间的相对运动速度。线圈与磁场之间的相对运动速度。 2 检测技术与检测元件 12 应用振动监测应用振动监测 2 检测技术与检测元件 13 （1）线速度型）线速度型动铁式动铁式 2 检测技术与检测元件 14 被被 测测 物物 S N 壳体 线圈 永久磁铁 弹簧 （1）线速度型）线速度型动铁式动铁式 2 检测技术与检测元件 15 线圈相对磁场作旋转运动线圈相对磁场作旋转运动,并切割磁力线，感生电并切割磁力线，感生电 势为：势为： sinsinNBA dt d NBAe A： 每匝线圈的截面积每匝线圈的截面积 ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角：线圈平面法

6、线方向与磁场方向之间的夹角 : 线圈与磁场之间的相对运动角速度线圈与磁场之间的相对运动角速度 =900NBAe 1-1-永久磁铁永久磁铁 2-2-线圈线圈 3-3-运动部分运动部分 （2）角速度型）角速度型 2 检测技术与检测元件 16 线圈、磁铁静止不动，测量齿线圈、磁铁静止不动，测量齿 轮安装在被测旋转体上，随被轮安装在被测旋转体上，随被 测体一起转动来改变磁路的磁测体一起转动来改变磁路的磁 阻，引起磁通量变化，从而在阻，引起磁通量变化，从而在 线圈中产生感应电动势。线圈中产生感应电动势。 2 2、变磁阻式检测元件变磁阻式检测元件 （1）开磁路变磁阻式）开磁路变磁阻式 1一永久磁铁一永久磁

7、铁 2一软磁铁，一软磁铁， 3一感应线圈一感应线圈 4一测量齿轮一测量齿轮 开磁路式转速检测元件结构原理开磁路式转速检测元件结构原理 2 检测技术与检测元件 17 2 2、变磁阻式检测元件变磁阻式检测元件 )( 60 Hz nz f 转速转速 齿数齿数 线圈线圈 永久永久 磁铁磁铁 N S 感感 应应 脉脉 冲冲 计计 数数 器器 感应电势的变化频率等于？感应电势的变化频率等于？ 2 检测技术与检测元件 18 2 检测技术与检测元件 19 转速测量转速测量 齿数齿数 z=4 2 检测技术与检测元件 20 v当安装在被测转轴上的齿轮（导当安装在被测转轴上的齿轮（导 磁体）旋转时，其齿依次通过永久

8、磁体）旋转时，其齿依次通过永久 磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈 上感应出频率和幅值均与轴转速成上感应出频率和幅值均与轴转速成 比例的交流电压信号比例的交流电压信号u u0 0。 v由于感应电压与磁通由于感应电压与磁通的变化率的变化率 成比例，即成比例，即 ( (W是线圈匝数）是线圈匝数） t Wu d d 0 故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定 程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故 这种传感器不适合于低速测量。这种传感器不适合于低速测量。 2 检测技术

9、与检测元件 21 12 测量测量 仪表仪表 扭矩测量扭矩测量 2 检测技术与检测元件 22 如图所示，在转轴上固定两个齿轮如图所示，在转轴上固定两个齿轮1 1和和2 2，它们的材质、尺寸、，它们的材质、尺寸、 齿形和齿数均相同。齿形和齿数均相同。 永久磁铁和线圈组成的磁电式检测头永久磁铁和线圈组成的磁电式检测头3 3和和4 4对着齿顶安装。当对着齿顶安装。当 转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。 转轴承受扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之转轴承受扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之 间相对扭转角的增加而加大，其大小与

10、相对扭转角、扭矩成间相对扭转角的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成 正比。正比。 扭矩测量扭矩测量 u wt 2 检测技术与检测元件 23 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随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，生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈使线圈 内产生周期性变化的感应电动势。内产生周期性变化的感应电动势。 感应电势的频率与被测转速成正比。感应电势的频率与被测转速成正比。 2 2、变磁阻式磁电传感器变磁阻式磁电传感器

11、（2）闭磁路变磁阻式）闭磁路变磁阻式 2 检测技术与检测元件 24 磁电感应式检测元件相当于一个电源磁电感应式检测元件相当于一个电源 3.3.磁电感应式检测元件的等效电路磁电感应式检测元件的等效电路 e Li O RR e i Li L O RR eR u 2 检测技术与检测元件 25 检测元件的电流灵敏度检测元件的电流灵敏度Si和电压灵敏度和电压灵敏度 Sv为：为： Li o i RR NBl t x i S d d Li Lo v RR NBlR t x u S d d Li O RR e i Li L O RR eR u 2 检测技术与检测元件 26 当磁电感应式检测元件工作温度发生变化

12、，当磁电感应式检测元件工作温度发生变化， 或受到外磁场干扰，或受到机械振动或冲或受到外磁场干扰，或受到机械振动或冲 击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量 误差，其误差，其相对误差相对误差为为 i i R R l l B B S Sdd d d r 2 检测技术与检测元件 27 4.磁电感应式检测元件的误差分析磁电感应式检测元件的误差分析 （1 1）温度误差）温度误差 （2 2）永久磁铁的不稳定性误差）永久磁铁的不稳定性误差 （3 3）磁电式传感器的非线性误）磁电式传感器的非线性误 差差 2 检测技术与检测元件 28 磁电式传感器 机械能机械能 电电 量量 5

13、.磁电感应式传感器的磁电感应式传感器的特点特点 有源传感器有源传感器 具有较大的输出功率具有较大的输出功率 只应用于动态测量，如只应用于动态测量，如机械振动测量、转速测量。机械振动测量、转速测量。 传感器尺寸大、重。传感器尺寸大、重。 2 检测技术与检测元件 29 2.8.2 霍尔检测元件 霍尔元件霍尔元件 2 检测技术与检测元件 30 1878 1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的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。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

14、积小有利于集成料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成 化。化。 霍尔传感器是基于霍尔效应。霍尔传感器是基于霍尔效应。 2 检测技术与检测元件 31 通电的导体（半导体）垂直放在磁场通电的导体（半导体）垂直放在磁场 中，导体在垂直于电流中，导体在垂直于电流I I与磁场与磁场B B方方 向上会产生向上会产生感应电动势感应电动势，这种现象，这种现象 称为称为霍尔效应霍尔效应。 b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 2 检测技术与检测元件 32 在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流在与磁场垂直的半导体薄片上通

15、以电流I I，假设载，假设载 流子为电子流子为电子(N(N型半导体材料型半导体材料) )，它沿与电流，它沿与电流I I相反的相反的 方向运动，由于洛仑兹力方向运动，由于洛仑兹力f fL L的作用，电子将向一侧的作用，电子将向一侧 偏转，并使该侧形成电子的积累，而另一侧形成正偏转，并使该侧形成电子的积累，而另一侧形成正 电荷积累，于是元件的横向便形成了电场。该电场电荷积累，于是元件的横向便形成了电场。该电场 阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力 f fE E与洛仑兹力与洛仑兹力f fL L相等时，电子的积累达到动态平衡。相等时，电子的积累达到动

16、态平衡。 这时在两横端面之间建立的电场称为这时在两横端面之间建立的电场称为霍尔电场霍尔电场E EH H， 相应的电势称为相应的电势称为霍尔电势霍尔电势U UH H。 b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 霍尔电势的产生霍尔电势的产生 2 检测技术与检测元件 33 霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑 兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、 d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。 c d 2

17、 检测技术与检测元件 34 在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。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：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： L Fe B 霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力 HH FeE 霍尔电场霍尔电场 当两作用力相等时电荷不当两作用力相等时电荷不 再再 向两边积累达到动态平衡：向两边积累达到动态平衡： HL FF H eEe B b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v H H U E b a b U B H a H UB

18、ba 霍尔电势霍尔电势 2 检测技术与检测元件 35 霍尔电势与电流和磁场强度的关系：霍尔电势与电流和磁场强度的关系： 通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I I与下列因素有关：与下列因素有关： 载流子浓度载流子浓度n n，电子运动速度，电子运动速度v v，导体薄片横截面积，导体薄片横截面积 a a* *d d， e e 为电子电荷量。为电子电荷量。 代入后：代入后： 1 H R ne 与材料有关与材料有关霍尔常数霍尔常数 霍尔电势与电流霍尔电势与电流 和磁场强度的乘和磁场强度的乘 积成正比积成正比 H H R K d 与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关 霍尔灵敏度霍尔灵敏度 式中：式中

19、：电阻率、电阻率、n n电子浓度电子浓度 电子迁移率电子迁移率=/E =/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。 Ine bd ad HHH IBIB UBbRKIB nedd a b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 2 检测技术与检测元件 36 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其法不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效时，实际

20、上作用于霍尔元件上的有效 磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即量，即B Bcoscos ，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 U UH H= =K KH HIBIBcoscos 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成成 正比，且当正比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之的方向改变时，霍尔电势的方向也随之 改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势 为同频率的交变电势。为同频率的交变电势。 2 检测技术与检测元件 37 H H R

21、 K d 1 H R ne HH UKIB 讨论：讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是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都可以制造霍尔元件; ; 绝缘材料绝缘材料很大，很大，很小，不适用；很小，不适用； 金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RH H很小，很小，U UH H很小很小; ; 半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大较大, ,R RH H大，非常适于做霍尔元大，非常适于做霍尔元 件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所 以霍尔元件多采用以霍尔元件多采用 N N 型半导体（多

22、电子）型半导体（多电子）; ; 厚度厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 K KHH 越大，所以霍尔元件做越大，所以霍尔元件做 的较薄，通常近似的较薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m) 。 2 检测技术与检测元件 38 2. 2. 霍尔元件的基本结构与基本测量电路霍尔元件的基本结构与基本测量电路 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图。霍尔元件一般可用两种符号表示，如图（如图。霍尔元件一般可用两种符号表示，如图（b b）所示。）所示。 霍尔片是一块矩形半导体薄片，霍尔片是一块矩形半导体薄片， 引

23、出四根引线：引出四根引线： 1 1、 11两根两根 引线加激励电压或电流，称引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）激励电极（控制电极）； 2 2、 22引引 线为霍尔输出引线，线为霍尔输出引线， 称称霍尔电极霍尔电极。 2 检测技术与检测元件 39 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线，霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线， 两端加激励，两端为输出，两端加激励，两端为输出，RLRL为负载电阻为负载电阻 ； 电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励电流I I； 磁场磁场B B与元件面垂直（向里）与元件面垂直（向里） 实测中可把实测中可把I I* *B B作输入，作输入， 也可把也可把I

24、 I或或B B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系，或与成正比关系，或与I I* *B B成正比关系。成正比关系。 2 检测技术与检测元件 40 霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较 大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来。大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来。 在这种连接方法中，激励电流极是并联的。在这种连接方法中，激励电流极是并联的。 虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电 阻也

25、将增大。阻也将增大。 霍尔元件输出串联霍尔元件输出串联 2 检测技术与检测元件 41 3.3.霍尔元件的应用霍尔元件的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，三个变量的函数， 即即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量不变，将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，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。这使得霍尔传感其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感 器有许多用途器有许多用途。 2 检测技术与检测元件 42 （1）霍尔传感器用于测量磁场强度）霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件 测量铁心

26、测量铁心 气隙的气隙的B值值 2 检测技术与检测元件 43 （2）霍尔转速表）霍尔转速表 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。随着随着 齿轮的转动，齿轮的转动，磁路的磁阻随气隙的改变而周期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放性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经放 大、整形后可以确定被测物的转速。大、整形后可以确定被测物的转速。 S S N N 霍尔元件霍尔元件 磁铁磁铁 2 检测技术与检测元件 44 测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被 测物的转速。测物的转速。 齿轮齿齿轮齿 数数

27、f min)/(60 r N f n （2 2）霍尔转速表）霍尔转速表 2 检测技术与检测元件 45 霍尔转速表原理霍尔转速表原理 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，当齿轮的空隙对准霍尔后输出高电平；反之，当齿轮的空隙对准霍尔 元件时，输出为低电平。元件时，输出为低电平。 2 检测技术与检测元件 46 被测力使波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，被测力使波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动， 从而使霍尔元件在磁路系统中运动，改变了从而使霍尔元件在磁路系统中运动

28、，改变了 霍尔元件所受的磁场大小及方向，引起霍尔霍尔元件所受的磁场大小及方向，引起霍尔 电势大小和极性的变化。电势大小和极性的变化。 由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度很高，所由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度很高，所 以可用于测量微小压力的变化。以可用于测量微小压力的变化。 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 (3)(3)测量压力测量压力 2 检测技术与检测元件 47 作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端 安装霍尔元件。安装霍尔元件。 当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定磁场当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定磁场 中的霍尔元件产生相应位移，

29、霍尔元件的输出即可中的霍尔元件产生相应位移，霍尔元件的输出即可 反映被测压力的大小。反映被测压力的大小。 弹 簧 管 霍 尔 元 件磁 钢 N S N 被 测 压 力p (3)(3)测量压力测量压力 2 检测技术与检测元件 48 (4) (4) 霍尔液位传感器霍尔液位传感器 霍尔器件装在容器外面，永久磁体支在浮子霍尔器件装在容器外面，永久磁体支在浮子 上，随着上，随着液位变化液位变化，作用到霍尔器件上的，作用到霍尔器件上的磁磁 场的磁感应强度改变场的磁感应强度改变，从而可测得液位。，从而可测得液位。 2 检测技术与检测元件 49 霍尔式振动示意图 （5 5）测振动）测振动 2 检测技术与检测元

30、件 50 （6）霍尔式接近开关）霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接 近、并达到动作距离近、并达到动作距离 时，霍尔式接近开关时，霍尔式接近开关 动作。动作。 如保安系统，把如保安系统，把霍尔开关集成器件装在门框里，永霍尔开关集成器件装在门框里，永 久磁铁装在门上，当门关闭时，开关输出低电平；久磁铁装在门上，当门关闭时，开关输出低电平； 当门打开时，磁铁离开传感器，开关输出高电平，当门打开时，磁铁离开传感器，开关输出高电平， 驱动电铃，可作为报警设备。驱动电铃，可作为报警设备。 2 检测技术与检测元件 51 （6）霍尔式接近开关）霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁

31、极接 近、并达到动作距离近、并达到动作距离 时，霍尔式接近开关时，霍尔式接近开关 动作。动作。 2 检测技术与检测元件 52 霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用于转速测量演示用于转速测量演示 n= = 6060 f 4 (r/min) 软铁翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T 2 检测技术与检测元件 53 霍尔集成器件可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成器件可分为线性型和开关型两大类。 (1)(1)霍尔线性集成器件霍尔线性集成器件 将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯 片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得 多。较典型的线性型霍尔器件如多。较典型的线性型