传感器与检测技术 第七章 磁电式传感器

教学目标知识目标： ①掌握磁电式传感器的基本工作原理——电磁感应定律（法拉第定律），理解感应电动势与磁通变化率之间的关系；②熟悉磁电式传感器的两种基本结构类型（恒定磁通式和变磁通式/磁阻式）及其各自特点；③掌握霍尔传感器的原理及应用。能力目标： ①能够根据被测对象（如转速、振动、角位移等）选择合适类型的磁电式传感器；②能运用电磁感应原理分析磁电式传感器的输出特性，理解其只适用于动态测量的原因价值目标： ①通过了解磁电式传感器在航空发动机转速监测、汽车ABS轮速传感等重大装备中的关键应用，认识传感器技术在工业安全中的重要作用。引入“传感器精度关乎生命安全”的工程伦理思考。7.1磁电感应式传感器概述7.2霍尔传感器磁电感应式传感器是根据电磁感应原理，利用导体和磁场的相对运动在导体两端产生感应电动势而制成的；磁电感应式传感器是一种有源传感器，即不需要辅助电源就能将被测对象的机械量直接转换为电信号；磁电感应式传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗小、输出功率大，具有一定的工作带宽（10∼1000Hz），适用于振动、转速、扭矩等测量；磁电感应式传感器具有“双向”性质，可以作为“逆变器”应用于近年来发展起来的“反馈式”（也称力平衡式）传感器；磁电感应式传感器的尺寸和重量都比较大。

7.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器的工作原理及结构类型1线圈包围的磁通量

稳恒均匀磁场的磁感应强度导体的有效长度导体相对磁场的运动速度

线圈的面积线圈的转速3.4.1磁电感应式传感器（1）变磁通式磁电感应传感器变磁通式磁电感应传感器通常设计为转速传感器，其输出为感应电动势的频率，该频率取决于磁通的变化频率；变磁通式转速传感器的结构分为开磁路和闭磁路两种；磁电感应式传感器的工作原理及结构类型1开磁路变磁通式传感器闭磁路变磁通式传感器

7.1磁电感应式传感器Φ=E/R

3.4.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器的工作原理及结构类型1线圈和磁铁静止，测量齿轮安装在被测旋转体上并随其转动；每转动一个齿，齿轮与软铁间的磁阻变化一次，使磁通变化，产生感应电势；感应电势变化频率等于被测转速与齿轮齿数的乘积；适用于需要简单结构、小输出信号的场合，由于加装齿轮较危险，不适合测量高转速。开磁路变磁通式传感器

7.1磁电感应式传感器Φ=E/R

3.4.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器的工作原理及结构类型1由装在转轴上的内齿轮、装在外壳上的外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成；内齿轮和外齿轮的齿数是相同的；当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮保持静止，而内齿轮则随被测轴转动；内外齿轮的相对转动导致气隙磁阻产生周期性变化，进而引起磁路中磁通的变化，从而在线圈内产生周期性变化的感应电动势；感应电动势e与被测转速ω成正比。闭磁路变磁通式传感器

7.1磁电感应式传感器Φ=E/R

3.4.1磁电感应式传感器（2）恒磁通式磁电感应传感器磁路系统产生恒定的直流磁场，主要通过弹簧改变线圈和磁铁的相对位置来改变线圈内磁通大小；磁电感应式传感器的工作原理及结构类型1当被测振动体振动时，壳体会随之一起振动；由于运动部件质量大且弹簧柔软，振动频率高时（远大于传感器固有频率），运动部件惯性大，无法及时跟随振动，几乎静止；永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度；这种相对运动切割磁力线，从而产生感应电动势；

7.1磁电感应式传感器3.4.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器的工作原理及结构类型1

工作气隙磁感应强度每匝线圈平均长度相对运动速度线圈在工作气隙磁场中的匝数

7.1磁电感应式传感器3.4.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器可以直接输出感应电动势信号，且通常具有较高的灵敏度，所以其测量电路不需要高增益放大器；磁电感应式传感器的测量电路2微分测量加速度积分测量位移直接测量速度

7.1磁电感应式传感器

3.4.2霍尔式传感器霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁传感器；这种器件以霍尔效应为工作基础，可以检测磁场及其变化，被广泛应用在各种与磁场有关的场合中；霍尔器件具有许多优点，比如结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗低、频率高、耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

7.2霍尔传感器

7.2霍尔传感器

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器霍尔效应1霍尔效应是物质在磁场中表现的一种特性，由运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的影响产生；简单来说，当电流通过放置在磁场中的导体或半导体时，会在电流和磁场方向垂直的地方产生一个电动势；这种现象称霍尔效应，而产生的电动势被称为霍尔电动势。

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器在电场的作用下，电流使金属中的自由电子或半导体中的载流子（电子）做定向运动，此时每个电子所受洛伦兹力为：半导体薄板外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场，其电场强度为：霍尔效应1

电子电荷磁场的磁感应强度电子运动平均速度

霍尔电动势

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器

霍尔效应1

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器

霍尔效应1

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状；一般金属材料载流子迁移率n很高，故霍尔电势很小；半导体的载流子迁移率n很小，故霍尔电势很大，容易测量。故只有半导体材料适于制造霍尔片。霍尔效应1

7.2霍尔传感器

3.4.2霍尔式传感器霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔元件的基本结构2外形结构示意图图形符号

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器

霍尔元件的基本特性3

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器不等位电势和不等位电阻不等位电动势：在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压；理论上其霍尔电势应为零，在实际测量中却并非为零，原因如下：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不等位电势也可用不等位电阻表示，即：霍尔元件的基本特性3

7.2霍尔传感器3.4.2霍尔式传感器霍尔式传感器的测量电路4

7.2霍尔传感器3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。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，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用一、霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件测量磁场强弱测量磁场方向数字显示读数，快速、便携、非接触测量核心作用:3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用霍尔高斯计（特斯拉计）的使用霍尔元件磁铁测量对象:永磁铁（喇叭磁、电机磁钢、铁氧体、钕铁硼）电磁铁磁场电机气隙磁场地球磁场（弱场型）磁选机、除铁器、磁疗设备磁场3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用二、霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使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隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。

3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用霍尔转速表原理

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，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用霍尔转速表的其他安装方法

只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件磁铁3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用三、霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用

若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔每一个传感器的数据都可能影响重大决策，从事传感器行业必须具备严谨求实的科学态度和高度责任感。传感器的“准不准”不只是技术问题，更关乎人的生命安全。3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用五、霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用霍尔式接近开关

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，起到限位的作用。3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用霍尔式接近开关用于转速测量演示

n=60f4(r/min)软铁分流翼片开关型霍尔ICT

3.4.3磁敏式传感器的应用

7.2霍尔传感器的应用六、霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有