磁电式检测元件课件

磁電式檢測元件

9.1磁电感应式传感器

磁電感應式感測器也稱電動式感測器，它是利用導體和磁場相對運動而在導體內感應出電勢的原理，構成的機-電能量轉換型感測器，它不需要外加電源，結構簡單，性能穩定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率回應範圍（一般為10～1000Hz），適用於轉速、扭矩、振動等的動態測量。9.1.1工作原理与分类

一、

工作原理

如圖9.1.1（a）所示的感測器，在磁鐵之間放置N匝線圈的繞組，線圈平面與磁力線相垂直。當線圈沿水準方向以速度v相對磁場運動時，由電磁感應定律可知，當磁力線正方向、導體運動速度方向和感應電勢正方向三者之間符合右手定則時，線圈中感應電動勢為

e=NBlv（9.1.1）

同理，對圖9.1.1（b）情況，當N匝線圈與磁力線垂直並以角速度ω旋轉時，線圈內感應電勢為

e=NBSω（9.1.2）當感測器的結構參數確定後，B、l、N、S均為確定值，此時感應電勢僅與線圈相對磁場運動速度成正比，即

e=Kv或e=Kω（9.1.3）

由上述工作原理知，磁電感應式感測器只適用於動態測量，如直接測量振動物體的速度或旋轉物體的角速度。如果在其測量電路中接入積分或微分電路，那麼還可以用來測量位移或加速度。上一頁9.1磁电感应式传感器圖9.1.1磁电感应式传感器工作原理图

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（a）直線式；（b）旋轉式

1—磁鐵；2—線圈9.1磁电感应式传感器

二、磁電感應式感測器的分類根據磁通的定義Φ=∫ABdA可知，穿過閉合導電回路所包圍面積內磁通量變化的原因有兩種情況：（1）回路的位置、形狀和大小不變，而回路所在處的磁感應強度隨時間變化，因此磁通也隨時間在變化。由此而引起的感應電勢稱為感生電動勢，在電磁控制元件中又稱變壓器電勢。（2）回路所在處空間內磁感應強度的分佈不隨時間變化，但回路的位置、形狀和大小在改變，此種情況下回路內的感應電動勢稱為動生電動勢或切割電動勢。根據上述原理，磁電感應式感測器分為恒定磁通式和變磁通式兩類。1．恒定磁通式

恒定磁通磁電感應式感測器一般由永久磁鐵、線圈、彈簧、阻尼器（線圈的金屬骨架）和殼體等部分組成。根據運動部件的不同，又可分為動圈式如圖9.1.2（a）所示和動鐵式如圖9.1.2（b）所示。

上一頁圖9.1.2恒定磁通磁电感应式传感器结构原理图返回（a）動圈式；（b）動鐵式1—金屬骨架；2—彈簧；3—線圈；4—永久磁鐵；5—殼體9.1磁电感应式传感器2．變磁通式實質上它應稱為變磁阻式或變氣隙式。其結構原理如圖9.1.3所示。圖9.1.3（a）為開磁路變磁通式，線圈和磁鐵靜止不動，由導磁材料做成的測量齒輪安裝在被測旋轉體上，隨其一起轉動，每轉過一個齒，感測器磁路磁阻變化一次，磁通也變化一次，线圈中感应电势的变化频率等于齿轮的齿数和轉速的乘積。圖9.1.3（b）為兩極式閉磁路變磁通式結構示意圖。被測轉軸帶動十字形鐵心在磁場氣隙中勻速轉動，由於工作氣隙長度隨轉動鐵心位置不同而週期變化，相應的磁路磁阻、磁通也以同樣週期變化，從而線上圈中感應出頻率與轉速與鐵心齒數乘積成正比的感應電勢。

上一頁圖9.1.3

變磁通磁電感應式感測器結構原理圖

返回（a）開磁路變磁通式；（b）閉磁路式1—被測物轉軸；2—導磁體鐵心；3—線圈；4—軟鐵；5—永久磁鐵9.1磁电感应式传感器9.1.2應用實例一、磁電感應式振動速度感測器這是一種恒定磁通磁電感應式感測器，結構原理如圖9.1.4所示。永久磁鐵通過鋁支架和圓筒形導磁材料製成的殼體固定在一起，形成磁路系統，殼體還起屏蔽作用。二、

磁電感應式轉速感測器

它是一種變氣隙磁阻式磁電感應感測器。圖9.1.5是它的結構原理圖。轉子和定子都用工業純鐵製成，並在其環形端面上均勻地銑有齒和槽，定子、轉子上的齒、槽數相等。定子、轉子和永久磁鐵構成了感測器的磁路系統。

磁路中磁通將週期性地變化，從而線上圈中感應出近似正弦波的電壓信號，轉速越高，感應電勢頻率也就越高，它們之間關係為

f=Zn/60（9.1.4）Z——定（轉子）端面上的齒數；n——被測物每分鐘轉數。

上一頁圖9.1.4振动速度传感器

返回1,8—圓形彈簧片；2—圓環形阻尼器；3—永久磁鐵；4—鋁支架；5—心軸；6—工作線圈；7—殼體；9—引線；10—品質塊圖9.1.5變磁阻式磁電感應轉速感測器返回1—轉軸；2—轉子；3—永久磁鐵；4—線圈；5—定子9.1磁电感应式传感器

三、磁電感應式扭矩感測器它也屬於變磁通式，結構原理如圖9.1.6所示。轉子包括線圈固定在感測器軸上，定子永久磁鐵固定在感測器外殼上，定、轉子上都有相等的齒和槽。磁電感應式感測器除了上述一些應用外，還可構成電磁流量計，用來測量具有一定電導率的液體流量，它的優點是反應快，易於自動化和智能化。

上一頁返回圖9.1.6磁電感應式扭矩感測器示意圖

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1—定子（包括永久磁鐵）；2—線圈；3—轉子；4—感測器軸9.2霍尔传感器

霍爾感測器（或霍爾開關）是利用半導體材料的磁電效應（又稱霍爾效應）將被測物理量如電流、磁場、位移、壓力、加速度等轉換成電動勢輸出的一種感測器。9.2.1工作原理、材料及基本電路

一、工作原理半導體霍爾元件是一塊直角平行六面體的單晶N型（或P型）半導體薄片，如圖9.2.1所示。它的四個側面分別焊上輸入引線a、b和輸出引線c、d。輸入引線與元件接點稱為控制電流极，输出引线与元件接点称为霍爾電勢極。元件符號圖如圖9.2.1（b）所示。霍爾電勢，用UH表示。它的大小正比於磁場磁感應強度與控制電流的乘積。

UH=KHiB/b

(V)（9.2.1）

圖9.2.1霍尔元件原理图

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（a）原理圖；（b）符號圖9.2霍尔传感器二、材料和結構霍爾元件一般採用N型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成。銻化銦元件的輸出較大，但受溫度的影響也較大。鍺元件的輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。砷化銦元件的輸出信號沒有銻化銦元件大，但是受溫度的影響卻比銻化銦的要小，而且線性度也較好。因此，採用砷化銦材料的霍爾元件受到普遍重視和廣泛應用。霍爾元件的結構很簡單，它由霍爾片、引線和殼體組成，一般採用非磁性金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝。上一頁9.2霍尔传感器

三、基本電路霍爾元件的基本電路如圖9.2.2所示。控制電流由電源E供給。PR為調節電阻，調節控制電流的大小。霍爾輸出電勢接負載RL，它可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示儀錶的內阻。在實際使用時，I或B，或兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比於I或B，或者兩者的乘積。9.2.2電磁特性霍爾元件的電磁特性包括控制電流（直流或交流）與輸出之間的關系UH=f（I）、霍爾電勢與磁場（恒定或交變）之間的關係UH=f（B）等特性。下麵簡要介紹上述兩種特性。上一頁圖9.2.2霍爾元件的基本電路返回

一、UH=f（I）特性在磁場和環境溫度一定時，霍爾輸出電勢UH與控制電流I之間呈線性關係。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用Ki表示。由於磁場是恒定的，磁感應強度為常數，所以

UH=KiI/b（9.2.2）式中，Ki=KHB。二、UH=f（B）特性當控制電流一定時，霍爾元件的開路（空載）輸出電勢與磁場並不完全呈線性關係，實驗證明，只有B在0.5Wb/m2以下工作時，UH=f(B)特性線性度才比較好。上一頁9.2霍尔传感器9.2霍尔传感器

9.2.3應用實例霍爾元件不僅可做成無觸點開關，而且用霍爾元件構成的霍爾傳感器被廣泛應用於自動控制、資訊處理和非電量電測等領域，如測量恒定和交變磁場的高斯計，位移、壓力、流量傳感器，利用控制電流和磁感應強度同時改變的原理構成的乘法器、功率計等。

一、霍爾無觸點開關無觸點開關工作原理如圖9.2.5所示。當鐵磁材料的工件以速度v運動到永久磁鐵N、S極下時，工件與磁極間形成閉合磁路，使磁路中的磁場增強，它垂直穿過在N極下的霍爾元件H，在控制電流I不變的情況下，霍爾電勢UH將增大，輸出增大。上一頁圖9.2.5霍尔无触点开关

返回(a)工作原理圖；(b)電路原理圖

二、霍爾位移感測器感測器磁場是由兩對N、S相反放置的磁極所組成，在兩對磁極的中間區域構成一個均勻梯度的磁場，即dB/dx為常數。將霍爾元件置於此磁場中，保持控制電流恒定，當霍爾元件沿x方向（向左或向右）移動時，元件將輸出一個與磁感應強度成