《智能传感器与智能仪表》课件-项目5：电涡流式与霍尔式传感器

电涡流式传感器的基本原理及分类智能传感技术赋能制造强国项目五

磁敏传感器电气工程学院目录CONTENTS电涡流式传感器的定义Smartsensorsandsmartmeters01电涡流式传感器探头结构Smartsensorsandsmartmeters02电涡流式传感器的工作原理Smartsensorsandsmartmeters03电涡流式传感器的分类Smartsensorsandsmartmeters04“双碳”目标核心工业场景知识导入碳达峰碳中和大型发电厂大型钢铁厂重型机械厂知识导入发电厂的汽轮机发电系统的“心脏”如何在不接触高速旋转金属表面的前提下，精准捕捉微小振动？电涡流式传感器主轴需以每秒3000转的高速稳定旋转微米级的振动偏差都可能影响整体运行电涡流式传感器的定义电涡流式传感器涡流效应原理对表面为金属导体的物体实现多种物理量的非接触测量位移振动厚度转速应力硬度电涡流式传感器的定义02频率响应宽03灵敏度高01结构简单04测量范围大06非接触测量05抗干扰能力强电涡流式传感器的优点电涡流式传感器探头结构01|核心部件扁平圆形电涡流线圈|聚四氟乙烯框架窄槽绕线设计高频信号激励产生交变磁场高频电缆线|传输信号，间距0.5-1.0mm-30℃至120℃可稳定运行电涡流式传感器探头结构保护线圈并固定位置调节螺纹探头前端壳体集成信号处理电路连接外部设备电缆插头电源指示灯阈值指示灯电涡流式传感器的工作原理涡流效应的基本概念通过金属体的磁通发生变化时，会在导体中产生感生电流，电流在导体中自行闭合电涡流电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化涡流效应利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量电涡流式传感器涡流产生的必要条件①存在交变磁场②

导体处于交变磁场中电涡流式传感器的工作原理原理具象化：线圈与金属的互动一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流

时，线圈周围就产生一个交变磁场0102置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流

，电涡流也将产生一个新磁场03

与

方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化电涡流式传感器的工作原理影响线圈阻抗的关键参数线圈与导体距离d核心被测参数导体电导率σ铝vs铜差异显著导体磁导率μ铁磁材料影响大激励频率f1决定穿透深度电涡流式传感器的工作原理影响线圈阻抗的关键参数检测铝合金零件，电导率变化会影响测量结果吗？电路方程组电涡流式传感器的工作原理传感器线圈的复阻抗ReLe电涡流式传感器的分类高频反射式电涡流传感器工作原理02高频磁场作用于金属表层集肤效应限制涡流于表面涡流反作用使线圈阻抗变化转换为电压信号输出结构特点01主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内数学关系03线圈阻抗ρ：导体电阻率µ：导体导磁率r：导体和线圈的尺寸因子δ——导体表面到线圈距离ω——线圈内交变电流频率典型应用04线圈阻抗位移测量分辨率达0.1μm振动监测汽轮机轴振动转速检测键相位识别电涡流式传感器的分类CZF-1系列电涡流传感器的性能型号线性范围

/μm线圈外径

/mm分辨力

/μm线性误差

(%)使用温度

/℃CZF1-10001000∅71<3-15~+80CZF1-30003000∅153<3-15~+80CZF1-50005000∅285<3-15~+80探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低电涡流式传感器的分类低频透射式电涡流传感器发射线圈L1金属板接收线圈L201|结构示意图电涡流式传感器的分类低频透射式电涡流传感器工作原理由振荡器产生的低频电压L1加到发射线圈两端，于是在接收线圈L2两端将产生感应电压u2它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关02u2的大小间接反映了金属板的厚度δ为被测金属板厚，t为磁贯穿深度如果两个线圈之间设置一金属板，则在金属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈L2地磁力线减小，引起u2下降输出电压：金属板厚度越大，电涡流损耗越大，u2就越小。特性如图所示。电涡流式传感器的分类低频透射式电涡流传感器

03频率选择策略薄板测量选较高频-如2kHz灵敏度高厚板测量选较低频-如500Hz线性度佳电涡流式传感器的分类低频透射式电涡流传感器特性高频反射式低频透射式激励频率>1MHz~1kHz测量对象位移、振动厚度线性范围窄（量程50mm内）宽（可达100mm）穿透深度浅（集肤效应）深工业案例3800XL传感器监测轴振动钢水连铸板厚控制04典型应用|

金属板材厚度在线检测（0.1~100mm）|涂层/镀层厚度测量案例分析：我国自主研发传感器赋能钢铁企业高质量生产传统检测的痛点人工抽样+千分尺测量无法实时反映生产过程中的厚度变化实时性差进口厚板测量传感器价格昂贵，售后维护响应周期长，影响生产线连续运行依赖进口生产参数调整不及时每年因废品造成的原材料浪费和产能损失超500万元滞后性强案例分析：我国自主研发传感器赋能钢铁企业高质量生产电涡流传感器的解决方案该企业针对厚钢板测量需求做了三项优化低频透射式电涡流式传感器（型号：CZF-5000）激励频率800Hz线圈框架耐高温增加模块温度补偿案例分析：我国自主研发传感器赋能钢铁企业高质量生产应用效果测量精度从±0.3mm提升至±0.1mm，满足高端特钢的厚度要求经济效益废品率从5%降至1.2%，每年节约的成本超200万元自主化价值设备价格为进口产品的1/3，售后周期缩短至24h，打破国外垄断检测效率从每小时3次提升至每秒10次，实现实时闭环控制.课程小结守护汽轮机安全旋转发电厂保障钢板的精准成型钢铁厂监测发动机叶片状态航空航天电涡流式传感器掌握电涡流传感器知识|激发工业技术兴趣|赋能全球工业的高质量发展电涡流式传感器的转换电路原理、架构与工程应用项目五

磁敏传感器电气工程学院目录CONTENTS转换电路的核心使命Smartsensorsandsmartmeters01三大主流电路架构深度解析Smartsensorsandsmartmeters02电涡流传感器的应用Smartsensorsandsmartmeters03知识导入电涡流传感器如何将这种微小变化转化为可靠的工业信号？转换电路传感器探测到0.1微米的位移变化线圈阻抗仅改变0.05%转换电路的核心使命：阻抗到电压的蜕变转换电路本质是完成两大关键转换1）物理量→电参数距离d变化线圈阻抗Z变化（ΔZ≈10-3级别）2）电参数→可测电压微小ΔZ放大/解调标准电压信号（0-5V/4-20mA）转换电路的核心使命：阻抗到电压的蜕变某风电监测系统某风电监测系统因忽略温度漂移，冬季测振误差达12%案例启示工业场景中没有“无关紧要”的细节比如医疗领域的血糖监测、工业中的芯片厚度测量，大家还能举出其他例子吗？02除了风电监测、高铁轴承检测，还有哪些领域需要将“微小的物理变化”转化为“可识别的标准信号”？01三大主流电路架构深度解析（1）电桥式电路|

电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转换为电压或电流的变化测量时，传感器线圈阻抗变化，电桥失去平衡的输出信号放大并检波，得与被测量成正比的输出差动传感器线圈与电容C1、C2的并联阻抗Z1、Z2作为电桥的两个桥臂起始状态时电桥平衡三大主流电路架构深度解析调幅式电路结构01调幅式电路采用石英晶体振荡器，稳定性较高原理02没有被测体时，传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路的谐振频率为此时，谐振回路的等效阻抗最大回路的等效损耗电阻当接近被测体时，线圈电感发生变化，电路失去谐振状态，回路的谐振频率和等效阻抗发生变化，输出电压的振幅下降三大主流电路架构深度解析调幅式电路调幅法的输出电压LC回路的输出电压i0——高频激励电流Z——LC回路的阻抗

LC回路的阻抗越大，回路的输出电压越大x0表示初始时刻导体与线圈间的距离，初始时刻处于谐振状态，输出的电压最大测量时无论x0减小还是增大，输出电压都会下降输出电压与位移量基本成正比三大主流电路架构深度解析调幅式电路调幅法的输出电压0－探头与被测物间距很远时1－非磁性金属、间距较大时2－非磁性金属、间距较小时（Q值降低）3－磁性金属、间距较小时（铁磁损耗较大，Q值大幅降低）f0：表示谐振状态时的频率此时输出的电压最大由于导体上产生电涡流，对线圈磁场造成一个损耗，导致输出电压就会减小当线圈靠近金属导体当金属是磁性金属时：曲线向左偏移，电压减小当金属是非磁性金属时：曲线向右偏移，电压也是减小的不同属性金属的电压三大主流电路架构深度解析调频式电路TTL电平：限幅电路输出的信号通过TTL电平，送到计算机的计数、定时器使用交流线圈和电容C构成一个LC振荡器|当被测金属导体与线圈距离发生变化时，传感器线圈电感L发生变化电感的变化导致振荡频率发生变化将频率的变化值转换成电压值|高频放大器、限幅器、鉴频器将频率变化值转换通过功率放大器就可以把相应的位移显示在位移显示器上三大主流电路架构深度解析调频式电路鉴频器的特性频率值电压值鉴频器输出电压与输入频率成正比电涡流传感器的应用测量位移01测量振动02测量转速03测量厚度04温度测量05金属探伤06电涡流传感器的应用测量位移测量注塑机开合模的间隙偏心和振动检测零件识别电涡流传感器的应用测量振动

测量悬臂梁的振幅及频率汽轮机叶片测试对机械结构的振动测量电涡流传感器的应用测量转速转速

电涡流传感器的应用测量厚度涂层厚度仪测量线路板的铜膜厚度课程小结将微小阻抗变化转化为标准工业信号的核心使命入手电桥式、调幅式、调频式三大主流电路架构的原理拆解位移、振动、转速测量及金属探伤等领域的实际应用了解电涡流式传感器的转换电路思想升华以“工匠精神”深耕专业，服务高端制造，赋能产业升级精巧的电路设计是工业设备精准监测、大国重器稳定运行的纽带霍尔式传感器工作原理及影响因素如何“看见”磁场项目五

磁敏传感器电气工程学院目录CONTENTS发现与应用Smartsensorsandsmartmeters01霍尔效应基本原理Smartsensorsandsmartmeters02霍尔电压与灵敏度的关系Smartsensorsandsmartmeters03知识导入你能思考并列举出一两个可能使用了霍尔传感器的生活或工业产品吗?从电机控制到电流测量从位置检测到非接触开关知识导入01自动息屏功能智能手机02无刷电机电动自行车03车速测量汽车发现与应用霍尔效应广泛应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面霍耳元件霍耳传感器是根据霍耳效应制作的一种磁场传感器霍耳效应是磁电效应的一种，这一现象是霍耳（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍耳效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍耳元件霍尔效应基本原理基本原理

|在置于磁场中的半导体内通入电流当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，在半导体的两端产生电势差霍耳效应霍耳电势差霍耳效应使用左手定则判断霍尔电压与灵敏度的关系霍尔效应原理图电子受洛伦兹力FL半导体，置于磁场B，通入电流I产生霍耳电场EH，输出霍耳电压UH霍尔电压与灵敏度的关系

洛仑兹力01半导体薄片的长度为l，宽度为b，厚度为d设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，受洛仑兹力

动态平衡02在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷，在这两个侧面上将产生霍耳电场EH

在洛伦兹力FL的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转电子所受电场力和洛伦兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡霍尔电压与灵敏度的关系霍耳电场强度|霍耳电势差（霍耳电压）|电子运动速度

v霍耳电压的大小取决于载流体中电子的运动速度，当材料中电子浓度为n时，电子运动速度为：简化公式引入霍尔灵敏度KH，其单位为mV/(mA·T)，则公式可简化为：其中

为霍耳灵敏度，单位是m/V（mA∙T）霍尔电压与灵敏度的关系霍尔系数霍耳电压霍耳系数RH和霍耳灵敏度KH的关系为RH：霍耳系数反映材料霍耳效应强弱电子运动速度还可表示为μ

为载流子迁移率U

为外加电压U/l

为电场强度霍尔电压与灵敏度的关系霍尔系数霍耳电压载流体的电阻μ：

载流子迁移率ρ：

载流体的电阻率霍尔电压与灵敏度的关系霍尔系数01霍尔系数RH是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，由霍耳系数

RH=ρμ可知，材料的电阻率ρ、迁移率μ大，RH就大03半导体（尤其是N型半导体），电阻率ρ和载流子迁移率μ均较高，可以获得很大的霍耳系数，适于制造霍尔传感器02虽然金属的μ高，但ρ低，总体霍尔系数较小，不宜做成元件霍尔电压与灵敏度的关系霍尔电势霍耳电势UH与元件的尺寸有关厚度d越小霍耳灵敏度越高，所以霍尔元件的厚度都比较薄厚度d太小会使元件的输入、输出电阻增加长宽比l/b影响

UH控制电极对内部产生的霍耳电势有局部短路作用在两控制电极的中间出测量的霍耳电势最大离控制电极很近处，霍耳电势下降到接近于零取值为减少短路影响，长宽比要大一些长宽比过大会使输入功耗增加，降低元件输出一般取

l/b≈2霍尔电压与灵敏度的关系霍尔电势霍耳电势UH与控制电流及磁场强度有关|I恒定，B

越大，UH越大磁场改变方向：UH也改变方向KH和B恒定：增加控制电流I，提高霍耳电压输出霍尔传感器能测量磁场大小，判断方向霍尔电压与灵敏度的关系霍尔元件霍耳元件半导体材料制成的元件对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域广泛应用霍尔线性器件输出模拟电压，随磁场线性变化霍尔开关器件输出数字信号，常用于位置检测、转速测量等开关控制场合霍尔电压与灵敏度的关系霍尔元件激励电极长度方向两端面上焊有a、b两根引线，用红色导线，其焊接处称为激励电极霍尔电极另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根输出引线，通常用绿色导线，焊接处称为霍尔电极由霍尔片、四根引线和壳体组成的半导体单晶薄片结构对称、电极精准布置是保证其性能的基础霍尔电压与灵敏度的关系03.02.01.当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流额定激励电流IH和最大允许激励电流IM当磁感应强度B为零、激励电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势U0

不等位电势U0与额定激励电流IH之比称为不等位电阻（零位电阻）r0不等位电势U0和不等位电阻r0激励电极间的电阻值称为输入电阻霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源，电源内阻为输出电阻输入电阻Ri和输出电阻Ro霍尔电压与灵敏度的关系04.霍尔温度系数

在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率05.内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率06.灵敏度KH霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小产生原因：电极安装不对称、材料不均匀、接触不良等，是影响测量精度的重要因素不等位电势是理想情况下B=0时输出的残余电压案例分析无人机变频家电霍尔传感器是无刷直流电机高效、可靠运行的关键无刷直流电机（BLDC）中的霍尔传感器无刷直流电机是现代电器的核心部件，其中的定子需要根据转子的精确位置通电产生旋转磁场电动车如果电机中的霍尔传感器输出信号出现紊乱，会导致什么现象呢？思想升华希望同学们在学习中培养这份细致与耐心，未来在各自领域铸就可靠、优质的“中国制造”卓越发展一个高性能霍尔元件的制造，涉及到无数精益求精的细节，深刻体现了严谨专注、追求卓越的工匠精神追求细节课程小结霍尔电压与灵敏度的关系02-霍尔传感器的工作原理01-元件结构与主要参数04-材料与尺寸的影响03-霍尔传感器非接触、高响应、长寿命，在工业与科技领域发挥着重要作用霍尔元件的测量电路及其补偿做为磁场“调音师”项目五

磁敏传感器电气工程学院知识导入如果不采取任何措施，直接测量的霍尔电压可能会遇到什么问题呢？实际应用中，霍尔元件需要通过合理的测量电路将霍尔电压有效提取出来，并补偿各种误差，以保证测量精度知识回顾假设我们要用霍尔元件测量一台室外电机的工作电流，但电机从冬季的-10℃到夏季的60℃环境温度变化极大课前思考目录CONTENTS输入回路串联补偿Smartsensorsandsmartmeters01输出回路负载补偿Smartsensorsandsmartmeters02输入回路串联补偿霍尔元件的测量电路（a）基本测量电路RPUHRLE（b）霍尔元件的串联电路输入回路串联补偿适用于需要较高输出信号或分布式磁场检测的场合串联后，总霍尔电压为各元件电压之和实际应用中，为提高输出电压或匹配电路需求，可采用多个霍尔元件串联的方式霍尔元件的基本测量电路通常包括一个激励电流源和一个电压输出端输入回路串联补偿(a)不等位电势(b)霍尔元件的等效电路

霍尔元件有两对电极各相邻电极之间的电阻若为R1、R2、R3、R4，可等效为一个四臂电阻电桥四个电阻分别对应各相邻电极之间的阻值不等位电势由于制造工艺、材料不均匀或电极不对称等原因实际霍尔元件在无磁场时仍会输出一个残余电压输入回路串联补偿补偿不等位电势

|通过并联电阻的方式来调节电桥平衡(a)不对称电路在电阻值较大的桥臂上并联电阻(b)对称电路

在两相邻桥臂上并联电阻这通过增加电路的对称性，使电桥在零磁场下输出趋于零，从而有效减小不等位误差输入回路串联补偿恒流源温度补偿电路

霍尔元件采用半导体材料制成，许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而产生温度误差。a.图中是一种典型的温度补偿电路，合理选择补偿电阻的阻值和温度系数b.当温度变化时，激励电流或分压关系发生相应变化，抵消霍尔电压的温漂输入回路串联补偿温度补偿采用恒流源供电|输入