磁电式传感器
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磁电式传感器
位置检测
用于检测汽车各部件的位置，如节气门位置、油门踏板位置等，实现精确控制。
车速检测
通过测量汽车轮速或发动机转速，将机械旋转转换为电信号，用于车速表、里程计等。
安全性应用
在制动系统、安全气囊等安全相关系统中，磁电式传感器用于检测关键参数，确保系统可靠运行。
03
导航系统
在惯性导航系统中，磁电式传感器用于测量飞行器的加速度和角速度，提供导航信息。
宽测量范围
快速响应：由于磁电感应原理的特性，磁电式传感器具有快速响应的特点。
磁电式传感器的性能可能受到温度的影响，需要进行温度补偿以保证测量准确性。
在某些情况下，磁电式传感器的输出信号与被测物理量之间可能存在非线性关系，需要进行校准和修正。
非线性误差
受温度影响
04
CHAPTER
磁电式传感器在各个领域的应用实例
03
02
01
将位移、角度等物理量转换为周期性变化的电信号，通过计数和处理得到被测物理量的数值。
原理
分辨率高，测量精度高，可靠性好，适用于高速、高精度测量系统。
特点
用于高精度位置反馈系统，如伺服电机控制系统、自动化生产线等。
应用
03
CHAPTER
磁电式传感器工作原理与性能参数
磁电感应原理
磁电式传感器利用磁电感应原理，将被测物理量的变化转换为感应电动势或感应电流的变化。当被测物理量与磁场相互作用时，会在传感器内部产生感应电动势或感应电流，进而实现测量。
智能化
通过集成多种测量原理和功能模块，磁电式传感器将实现多参数、多量程的测量，满足复杂应用场景的需求。
多功能化
灵敏度与稳定性
在复杂电磁环境下，提高磁电式传感器的抗干扰能力是关键，需要研究先进的噪声抑制和信号提取技术。
磁电式传感器
➢如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理 可得UH＝IB/ped。
➢因RH＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率， μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一 般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半 导体材料。
➢霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元 件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
一般频响范围：10Hz~2kHz。
（二）变磁通式
又称为变磁阻磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的 角速度。结构原理如下图。
1、开磁路变磁通式
工作原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材 料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一 个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就 变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量 齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。
（三）磁电感应式扭矩仪（变磁通式）
1、结构组成：
转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁） 固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和 槽。
2、测量原理：
➢测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈 和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。
➢安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传 感器的定子槽与其转子齿相对。
定义：通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转 速）转换成电信号的一种传感器。
分类： 磁电感应式传感器； 霍尔式传感器； 磁栅式传感器。
第一节 磁电感应式传感器
▪ 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动 式传感器。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的。它是一种机-电能量 变换型传感器。
在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁 （极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60， 其中Z为测量齿轮的齿数。
➢因RH＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率， μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一 般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半 导体材料。
➢霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元 件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
一般频响范围：10Hz~2kHz。
（二）变磁通式
又称为变磁阻磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的 角速度。结构原理如下图。
1、开磁路变磁通式
工作原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材 料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一 个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就 变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量 齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。
（三）磁电感应式扭矩仪（变磁通式）
1、结构组成：
转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁） 固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和 槽。
2、测量原理：
➢测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈 和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。
➢安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传 感器的定子槽与其转子齿相对。
定义：通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转 速）转换成电信号的一种传感器。
分类： 磁电感应式传感器； 霍尔式传感器； 磁栅式传感器。
第一节 磁电感应式传感器
▪ 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动 式传感器。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的。它是一种机-电能量 变换型传感器。
在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁 （极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60， 其中Z为测量齿轮的齿数。
(第6章)磁电式传感器
6.2.2 霍尔元件的应用
1．霍尔式微量位移的测量 ．
由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 由霍尔效应可知，当控制电流恒定时， 霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感 成正比， 的函数， 应强度B是位置x的函数，即 UH=kx 13） （6-13） 式中： ——位移传感器灵敏度 位移传感器灵敏度。 式中：ｋ——位移传感器灵敏度。
测量转速时，传感器的转轴1 测量转速时，传感器的转轴1与被测物 体转轴相连接，因而带动转子2转动。 体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转 的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时， 磁通就周期性地变化，从而在线圈3 磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应 出近似正弦波的电压信号， 出近似正弦波的电压信号，其频率与转速 成正比例关系。 成正比例关系。
2．霍尔元件基本结构 ．
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 根引线和壳体组成， 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图6-8阻 ）
I v= nebd
得
IB EH = nebd
IB UH = ned
式中： 称之为霍尔常数， 式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数， 其大小取决于导体载流子密度， 其大小取决于导体载流子密度，则
RH IB = K H IB UH = d
（6-12） 12）
称为霍尔片的灵敏度。 式中： 式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。
磁电式传感器原理及应用
磁电式传感器原理及应用磁电式传感器是一种基于磁效应的传感器，能够通过测量电流和磁场之间的关系来检测和测量电流、位移、速度、角度等物理量。
该传感器通过电流和磁场之间的相互作用，将物理量转化为电信号，从而实现对物理量的测量和控制。
磁电式传感器具有高精度、高分辨率、高灵敏度、可靠性高等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
磁电式传感器的工作原理主要是基于磁电效应，即通过磁场作用于磁电材料产生的电势差来测量物理量。
常用的磁电材料有铁磁材料、反铁磁材料和压电材料等。
当磁电材料受到外界磁场的影响时，内部的电荷分布状态发生改变，从而在材料的两侧产生电势差。
根据外加电场的方向，可以将磁电材料分为电压系数和电流系数两种类型。
磁电式传感器的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 电流测量：磁电式传感器可以通过测量电流所产生的磁场来实现对电流的测量。
在电力系统中，磁电式传感器被广泛用于测量电流，用于电能计量、故障检测和保护等。
2. 位移测量：通过将磁电材料与磁场探头相结合，可以实现对位移的测量。
在工业自动化领域，磁电式传感器被广泛应用于位移传感器、液位传感器、角度传感器等领域。
例如，在机械加工中，可以通过位移传感器来监测工件的位移，从而实现对机械加工的控制和调整。
3. 速度测量：磁电式传感器可以通过测量旋转物体所产生的磁场来实现对速度的测量。
在汽车行业中，磁电式传感器被广泛用于测量车速，用于车速表和巡航控制系统等。
4. 角度测量：通过将磁电材料与磁场探头结合，磁电式传感器可以实现对角度的测量。
在航空航天、机器人、自动化控制等领域，磁电式传感器被广泛应用于角度传感器、导航传感器、姿态传感器等领域。
5. 磁场测量：磁电式传感器可以通过测量磁场对磁电材料产生的电势差来实现对磁场的测量。
在地理勘测、地震监测等领域，磁电式传感器被用于测量地球磁场和地震活动等。
总之，磁电式传感器作为一种重要的传感器技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展和进步，磁电式传感器将更加精确、灵敏地测量和控制物理量，为各个领域的发展做出更大的贡献。
磁电式传感器
图7.2.4 霍尔元件的等效电路
7.2 霍尔式传感器
此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某 一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而 使不等位电势为零。几种补偿线路如图7.2.5所示。
RP
RP RP (a) (b) (c) R (d)
RP
图7.2.5 不等位电势补偿电路
7.2 霍尔式传感器
第7章 磁电式传感器
7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器
7.1 磁电感应式传感器
磁电式传感器——通过电磁感应原理将被测量 （如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。
利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出 感应电势；属于机-电能量变换型传感器
优点: 不需要供电电源，电路简单， 性能稳定，输出阻抗小
此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。
7.2 霍尔式传感器
若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定 向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，即
I v nebd
代入上两式得
IB EH nebd IB UH ned
7.2 霍尔式传感器
式中令RH=1/ne，称之为霍尔系数（反映霍尔效 应强弱），其大小取决于导体载流子密度, 则
等 效 机 械 系 统 Vo为传感器外壳的运动速度，即被测物体运动速度； Vm为传感器惯性质量块的运动速度。
7.1 磁电感应式传感器
若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度 运动方程
dV0 (t ) dV (t ) m cV (t ) K V (t )dt m dt dt
Av ( ) ( / n ) 2 1 ( / n ) 2 [ 2 ( / n ) 2 ]
7.1 磁电感应式传感器
磁电式传感器课件
34
2. 工作原理
空穴
电子
磁场H = 0：
（a）
P
→ →→
i
←←←
N 电流
少量电子和空穴
在
复合区 H=0
I 区、r区复合
（b） P
i
H+
N 电流
正向磁场 H+ ： 电子和空穴偏向 r 区， 电流因复合增大而减小
（c）
P
i
H-
N 电流
反向磁场 H- ： 电子和空穴偏向 I 区， 电流因复合减少而增大
这种传感器工作磁场恒定，线圈和磁铁两者间 产生相对运动，切割磁场线而产生感应电势。
动圈式
动铁式
4
恒磁通式磁电传感器的结构原理图
e WBLvsin
e WBLvsin
e WBAsint
5
（二）变磁通式磁电式传感器（磁阻式）
线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连 接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动 中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈 的磁通量，在线圈中产生感应电动势。
1 Vcc
霍尔元件 放大
稳压
整形 输出 3 VT
结构： 稳压器、霍尔片、 差分放大器，施 密特触发器和输
地 2 出级等部分组成。
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1 Vcc
霍尔元件 放大
稳压
整形 输出 3 VT
工作原理：
有磁场：UH >开启阈值，
高电平，VT导通 开状态
磁场减弱：UH <断开阈值，
地 2 低电平，VT截止 关状态
45
谢谢！
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2. 已知某霍尔元件尺寸为长L=10mm，宽 b=3.5mm，厚d=1mm。沿L方向通以电流 I=1.0mA，在垂直于L×b方向上加均匀磁场 B=0.3T，输出霍尔电势UH=6.55mV。求该霍尔 元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n是多少？
磁电式传感器的工作原理
一、引言磁电式传感器（magnetic-electric sensor）是一种常见的传感器类型，广泛应用于各个领域中，包括工业自动化、交通运输、机器人、医疗设备等。
磁电式传感器利用磁力与电磁感应的原理，将磁场的变化转化为电信号，从而实现对磁场强度、方向或位置的检测。
本文将详细解释磁电式传感器的工作原理，包括其基本原理、结构、工作方式以及应用领域。
二、磁电式传感器的原理1. 电磁感应原理磁电式传感器的工作原理基于电磁感应的原理。
根据法拉第电磁感应定律，当一个导体在磁力线穿过时，会在导体中产生电动势。
这种现象可以用以下公式表示：EMF = -dΦ/dt其中EMF表示电动势，Φ表示磁场通量，dt表示时间的微小变化。
根据该定律可知，当磁场强度或磁场方向发生变化时，会在导体中产生电动势。
2. 磁电效应原理磁电式传感器的核心部件是磁电材料，如铁电材料或磁电材料。
磁电材料具有磁电效应，即在外加磁场的作用下，会产生磁感应强度与电场强度之间的线性关系。
磁电效应可以通过以下公式表示：E = k * H其中E表示电场强度，k表示磁电系数，H表示磁场强度。
根据该公式可知，当磁场强度发生变化时，磁电材料会产生相应的电场强度变化。
3. 磁电式传感器的构成磁电式传感器通常由磁电材料、电极、封装以及相关电路组成。
磁电材料：磁电材料是磁电式传感器的核心部件，它通过磁电效应将磁场的变化转化为电场的变化。
常见的磁电材料包括铁电材料和磁电材料。
电极：电极用于连接磁电材料和外部电路，将磁电材料产生的电场信号引出。
封装：封装是保护磁电材料和电极的外壳，通常采用环氧树脂或金属外壳进行封装。
相关电路：相关电路包括放大电路、滤波电路和输出电路等，用于放大和处理磁电材料产生的电场信号，提供给外部电路使用。
4. 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理基于磁电效应和电磁感应的原理。
当存在磁场时，磁电材料会产生相应的电场变化。
根据电磁感应原理，当磁场的强度或方向发生变化时，会在磁电材料中产生电动势。
传感器原理及应用第六章 磁电式传感器
两者工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起 振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率 足够高（远大于传感器固有频率）时, 运动部件惯性很大, 来 不及随振动体一起振动, 近乎静止不动, 振动能量几乎全被弹 簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振 动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电 势为
（一）磁电感应式传感器的工作原理
电磁式传感器工作原理
当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿 过线圈的磁通为Ф，则整个线圈中所产生的感应电动势e为
e W d dt
（二）磁电感应式传感器的结构及特点
1、磁电感应式传感器的结构
磁电式传感器基本上由以下三部分组成： ①磁路系统：它产生一个恒定的直流磁场，为了减小传感器 体积，一般都采用永久磁铁； ②线圈：它与磁铁中的磁通相交产生感应电动势； ③运动机构：它感受被测体的运动使线圈磁通发生变化。
式(7 - 7)可得近似值:
γt ≈(-4.5%)/10 ℃
(Hale Waihona Puke - 8)这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采
用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁
性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一
小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著下降, 经它
分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从
而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度为
常数。
（三）磁电感应式传感器的转换电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且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。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图为一般测量电路方框图
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4
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图5-6 动圈式振动速度传感器
2）动态特性
• 二阶动态模型
Xm—质量块的绝对位移 X0—振动体的绝对位移 Xi= Xm- X0—相对位移
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• 数学模型
m xm c xi kxi
m x m c ( x x ) k ( x m x0 ) m 0
1）工作原理 图5-6 是动圈式振动速度传感 器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆 形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外 壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过 小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端 通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。
工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体 振动时， 传感器外壳和永久磁铁随之振动，而 架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振 动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而 产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输 出通过引线输出到测量电路。
f –测量频率； f0—固有频率
5. ）阻尼系数：通过电磁阻尼和空气阻尼调节 在0.6~0.7之间
5.1.3 磁电感应式传感器的测量电路
微分电路 磁电式 传感器 显示 或 记录
量程选择
前置放大
积分电路
主放大器
SW
图5-5 磁电式传感器测量电路方框图
5.1.4 磁电感应式传感器的应用
动圈式振动速度传感器
它是一种有源传感器。即不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电 信号。
• 优点：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～ 1000 Hz）； •.1.1 工作原理与结构
根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁 场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的 感应电势为
当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧 较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足 够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件 惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静 止不动，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度 接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运 动切割磁力线，从而产生感应电势为
14
e BlNv
7
图 5-1 （ a ）为开磁路变磁通式传感器工作 原理图：线圈 3 、磁铁 1 静止不动，测量齿轮 4 安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每 转动一个齿，它与软铁 2 之间构成的磁路磁阻 变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感 应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮 上齿数的乘积。
开磁路式传感器的特点： 结构简单； 输出信号较小；
• 磁电感应式传感器主要讲授工作原理、类 型，重点介绍磁电式加速度传感器的结构 特点、动态特性、设计要点等 • 霍尔式传感器主要讲授霍尔效应、霍尔器 件、霍尔元件的误差以及霍尔式位移传感 器
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5.1 磁电感应式传感器
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。
(5-2)
式中，S——线圈的面积, N ——线圈在工作气隙磁场中的匝数, ——线圈的转速 。
根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器 结构：变磁通式和恒磁通式。 变磁通式
开磁路 闭磁路 动铁式
动圈式
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恒磁通式
图5-1显示了变磁通式传感器的结构与原理 --变磁通式磁电传感器又称为变磁阻式磁电传感 器。 --线圈、磁铁静止不动，感应电动势由变化的磁 通产生。其频率与磁通变化的频率相同。 --变磁通式磁电传感器，能用来直接测量旋转物 体的角速度。
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5.1.2 传感器的设计要点 （依恒磁通式为例） 传感器有两个基本元件：永磁体和线圈 永磁体：在磁路中产生恒定的直流磁场 线圈：与磁场中的磁通交链产生感应电动 势
1. ）永磁体设计原则
永磁体工作在最大磁能积（BH)max时，磁体的 体积最小。
设计原则：尽可能工作在最大磁能积上 常用材料：铝镍钴永磁合金
加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。
9
图 5-1(b) 为闭磁路变磁通式传感器工作原理图： 它由装在转轴 7 上的内齿轮 5 和装在外壳上的外齿 轮6、永久磁铁1和感应线圈3组成，内外齿轮齿数 相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动， 内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动 使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁 通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动 e 势。 显然， 感应电势 与被测转速 成正比。
(5-3)
式中：B ——工作气隙磁感应强度； l ——每匝线圈平均长度； N ——线圈在工作气隙磁场中的匝数； v —— 相对运动速度。 由此可见，当传感器结构参数确定以后，感 应电动势 e 与相对运动速度v成正比。
总结
1）磁电感应式传感器应用电磁感应现象
2）只适用于动态测量 3）直接测量的量是振动体的速度或旋转体的 角速度 4）测量电路中接入积分电路或微分电路，则 可以测量物体的位移或加速度
永磁体必须进行时间、温度、组织结构等稳定 性处理
2.）工作气隙设计原则
为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度， 在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度 的前提下，尽量减小工作气隙宽度d。
一般选择: d/ld~1/4
ld –工作气隙深度
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3.）线圈组件：略小于工作气隙宽度d，保证线 圈的运动自由。 4.）固有频率和弹簧刚度：保证 f>3f0
d dx e Bl Blv dt dt
(5-1)
式中: B——稳恒均匀磁场的磁感应强度； l——导体有效长度； v——导体相对磁场的运动速度。
当一个N 匝线圈在磁场中作旋转切割磁力线 运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感 应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：
d e N NBS dt
图5-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路
图5-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式
恒磁通式的磁路系统产生恒定的直流磁场， 磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通 也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动 圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式 （图 5-2（a））和动铁式（图5-2(b)）的工作原 理是完全相同的。