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1、第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器第6章 磁电式传感器 Magneto electric sensors第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.1 6.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量将被测量(如振动、位移、转速等如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。转换成电信号的一种传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。它是一种的。它是一种机机-电能量变换型电能量变换型传感器，传感器
2、，不需要供电电源不需要供电电源，电路简，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为一般为101010001000Hz)Hz)，所以得到普遍应用。，所以得到普遍应用。磁电感应式传感器是以磁电感应式传感器是以电磁感应原理电磁感应原理为基础的。由法拉第电磁为基础的。由法拉第电磁感应定律可知，感应定律可知，N N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势E E(V)(V)的大小取决于穿过的大小取决于穿过线圈的磁通线
3、圈的磁通 的变化率，即的变化率，即ddENt Wb第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般可将磁电感应式传感器分为一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式恒磁通式和和变磁通式变磁通式两类。两类。6.1.1 6.1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气
4、隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度d dx/x/d dt t成正比的感应电动势成正比的感应电动势E E，其大小为，其大小为ddxENBlt 式中：式中：N N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B B为工作气隙磁感应为工作气隙磁感应强度；强度；
5、l l为每匝线圈平均长度。为每匝线圈平均长度。当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，N N、B B和和l l均为恒定值，均为恒定值，E E与与d dx/x/d dt t成正成正比，根据感应电动势比，根据感应电动势E E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度感器的灵敏度(E E/v v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于是随振动频率而变化的；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近固有频率时，传感器的灵
6、敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。振动频率增加而下降。不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到1010HzHz左右，高的可左右，高的可达达2 2kHzkHz左右。左右。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.1.2 6.1.2 变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理变磁通式
7、磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。如图所示开磁路变磁通式转速传感器。如图所示开磁路变磁通式转速传感器。测量齿轮测量齿轮4 4安装在被测转轴上与其一起安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，磁阻的变化，从而使磁通发生变化，因而在线圈因而在线圈3 3中感应出
8、交变的电势，其中感应出交变的电势，其频率等于齿轮的齿数频率等于齿轮的齿数Z和转速和转速n的乘积，的乘积，即即式中：式中：Z为齿轮齿数；为齿轮齿数；n为被测轴转速为被测轴转速(v/min)；f为感应为感应电动势频率电动势频率(Hz)。这样当已知。这样当已知Z，测得，测得f就知道就知道n了。了。/60fZn第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。合往往采用
9、闭磁路式转速传感器。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器被测转轴带动椭圆形测量轮被测转轴带动椭圆形测量轮5 5在磁场气隙中等速转动，使气隙在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化，则在线圈变化，则在线圈3 3中产生感应电动势，其频率中产生感应电动势，其频率f与测量轮与测量轮5 5的转的转速速n(r/min)成正比，即成正比，即f=n/30。在这种结构中，也可以用齿轮。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮代替椭圆形测量轮5 5，软铁，软铁(极掌极掌)制成内齿轮形式，这时输出制成内齿轮形式
10、，这时输出信号频率信号频率f 同前式。同前式。变磁通式传感器对环境条变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在件要求不高，能在-150-150+90+90的温度下工作，不影的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，但它的工作频率下限较高，约为约为5050HzHz，上限可达，上限可达100100kHzkHz。第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 2 2振动测量振动测量工作频率工作频率1010500500 HzHz最大可测加速度最大可测加速度5g5g精度精度1010固有频率固有频率1212 HzHz可测振幅
11、范围可测振幅范围0.10.110001000 外形尺寸外形尺寸45mm45mm160160 mmmm灵敏度灵敏度604604 mVmVs scmcm-1 1工作线圈内阻工作线圈内阻1.91.9质量质量0.70.7 kgkgmk1 1、8 8圆形弹簧片；圆形弹簧片；2 2圆环形阻尼器；圆环形阻尼器；3 3永久磁铁；永久磁铁；4 4铝架；铝架；5 5心轴；心轴；6 6工作线圈；工作线圈；7 7壳体；壳体；9 9引线引线6.1.3 6.1.3 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用1 1转速测量转速测量第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器3扭矩测量扭矩测量 当转轴不受扭矩时，两线圈输出当转
12、轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的两个感应电因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差动势将因扭矩而有附加相位差 。扭转角扭转角 与感应电动势相位差的关与感应电动势相位差的关系为系为式中：式中：z z为传感器定子、转子的齿为传感器定子、转子的齿数。数。0z0第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.2 6.2 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔式传感器是基于霍尔式传感器是基于霍尔效应霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的而将被测量转换成电动势输出的一种
13、传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件具有许多霍尔器件具有许多优点优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达可达1 1MHz)MHz)，耐振动，不怕，耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。按照霍尔器件的功能可将它们分为：按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件霍尔线性器件和和霍尔开关霍尔开
14、关器件器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。，前者输出模拟量，后者输出数字量。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达可达 级级)。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达宽，可达-55-55+150+150。m第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器6.2.1 6.2.1 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理1 1霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁感应
15、强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流于薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势上将产生电动势E EH H，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况A AB BC CD D第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B B越强，霍尔电势也就越高。越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势霍尔电势E EH H可用下式表示：可用下式表示：当有图示方向磁场当有图示方向磁场B
16、 B作用时作用时EH=KH IB第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片侧偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电方向的端面之间建立起霍尔电势。势。A AB BC CD D第第6 6章章 磁电式传感器磁电式传感器可以推出，霍尔电动势可以推出，霍尔电动势UH的大小为：的大小为：HH1cosHUIBUbBIBRk IBlnqdd式中：式中：kH为灵敏度系数，为灵敏度系数，kH=RH/d，表示在单位磁感应强度和单，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小位控制电流时的霍尔电动势的大小,与材料的物理特性（霍尔系与材料的物理特性（霍尔系数）和几何尺寸数）和几何尺寸d d有关；有关；霍尔系数霍尔系数RH1/(nq)，由材料物理性质，由材料物理性质所决定，所决定，q为电子电荷量为电子电荷量 ；n为材料中的电子浓度。为材料中的电子浓度。为磁场为磁场和薄片法线夹角。和薄片法线夹角。结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I
