磁电式传感器

磁电式传感器磁电式传感器——通过磁电作用将被测量转换在电信号一般分为两种：磁电感应式：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。霍尔式主要内容磁电感应式传感器霍尔传感器磁栅式传感器了解6．1磁电感应式传感器

6．1．1工作原理

当导体在磁场中运动切割磁力线时闭合导体回路中的磁通量

发生变化，导体中就会出现感应电流，导体中之所以出现感应电流是由于出现了感应电动势e

，闭合导体回路中感应电动势

e的大小与回路所包围的磁通量的变化率成正比，那么当N匝线圈在变化磁场中感应电动势

当线圈垂直于磁场方向以速度运动v

切割磁力线时，感应电动势式中，l—每匝线圈的平均长度

B—线圈所在磁场的磁感应强度若线圈以角速度

转动，则式6-2可写成

式中，S—每匝线圈的平均截面积

只要磁场量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的方法很多。主要有：（1）

线圈与磁场发生相对运动；（2）磁路中磁阻变化；（3）恒定磁场中线圈面积变化。当传感器结构参数确定后,B、l、N、S

为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度v或

成正比。所以，可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进行积分或微分就可求出位移和加速度。磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。

6．1．2类型

〔1〕变磁通式磁电传感器这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。

①闭磁路变磁通式传感器

转速太低时，输出电势小，有下限频率②开磁路变磁通式传感器

(2)

恒定磁通式磁电传感器

在图中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势当传感器结构选定后，式6-4中

B、l、N

都是常数，线圈的感应电动势仅与相对运动速度v有关，传感器的灵敏度为了得到较高的灵敏度，应采用磁能积较大的永久磁铁和尽量小的空气隙长度以提高磁感应强度，同时应使单线圈长度增加并提高有效匝数但这些参数要受到传感器体积和重量等因素的制约。

6．1．3应用

〔1〕磁电感应式振动加速度传感器

〔2〕磁电式转速传感器

〔3〕磁电感应式扭矩仪

扭转角

与

0感应电势相位差

的关系为由

0、Z

可求出扭转角

，根据

、被测轴材质、长度即可求出扭矩。

〔4〕电磁流量传感器

电磁流量传感器的结构如图所示，传感器安装在工艺管通中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流体切割磁力线而产生感应电动势，其值可用下式表示：

流经测量管流体的瞬时流量Q与流速V

的关系为式中，A—测量管内电极处横截面面积则：式中，k

—仪表常数由式6-9可知，当传感器参数确定后，仪表常数k是一定值，感应电势正与流量Q成正比。

6.2霍尔传感器工作原理结构及其特性误差分析及补偿驱动电路应用霍尔效应及霍尔元件◆霍尔效应置于磁场中的通电半导体，在垂直于磁场和电场方向运动时，产生电动势的现象称霍尔效应，该电势称霍尔电势UH，半导体薄片称霍尔元件。6.2.1基本工作原理fLfEvEHdIbB◆一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。◆霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。◆目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。6.2.2结构及其特性分析

霍尔电势的大小还与霍尔元件的几何尺寸有关。霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构霍尔元件霍尔元件主要技术特性额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻电压源内阻寄生直流电势霍尔电势温度系数灵敏度KhUHIHRiRo6.2.3霍尔元件驱动电路不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，因而必须采用补偿的方法。1)霍尔元件不等位电势补偿图6-14不等位电势补偿电路6.2.4霍尔元件驱动电路◆理想情况下，R1=R2=R3=R4，即可取得零位电势为零（或零位电阻为零）。◆实际上，由于不等位电阻的存在，说明此四个电阻值不相等，可将其视为电桥的四个桥臂，则电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联电阻（图（a）），或在两个桥臂上同时并联电阻（图（b））。2)霍尔元件温度补偿◆霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。◆为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可看出： 采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化。

恒流源温度补偿电路

霍尔传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电动势的一种传感器。◆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电流、磁场、压力、加速度、振动等方面的测量。6.2.5