磁电式传感器
磁电式传感器
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01 单 击 添 加 目 录 项 标 题 02 磁 电 式 传 感 器 的 概 述 03 磁 电 式 传 感 器 的 结 构 与 特 点 04 磁 电 式 传 感 器 的 应 用 实 例 05 磁 电 式 传 感 器 的 优 缺 点 分 析 06 磁 电 式 传 感 器 的 发 展 趋 势 与 前 景 展 望
微型化：随着 微电子技术的 发展，磁电式 传感器将不断 缩小体积，提 高精度和灵敏
度。
智能化：通过 集成AI技术， 磁电式传感器 可以实现自适 应、自学习等 功能，提高测 量精度和效率。
多功能化：磁 电式传感器将 不断拓展应用 领域，实现多 种物理量的测
量和监测。
网络化：通过 物联网技术， 磁电式传感器 可以实现远程 监控和数据共 享，提高测量 效率和可靠性。
工业自动化领域：用于检测机 器的运行状态、位置、速度等
医疗领域：用于检测病人的生 理信号，如心电图、血压等
结构简单，工作可靠，寿命长
灵敏度高，测量范围大
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输出阻抗低，负载能力强
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测量精度高，稳定性好
磁饱和现象： 当磁电式传感 器受到过强的 磁场干扰时， 会导致磁饱和 现象，影响测
量精度
温度影响：磁 电式传感器的 磁阻效应受温 度影响较大， 温度变化可能 导致测量误差
机械振动：机 械振动可能影 响磁电式传感 器的测量结果， 导致测量误差
输出阻抗高： 磁电式传感器 的输出阻抗较 高，需要配用 适当放大电路 才能获得理想
的测量结果
提高灵敏度和精度 减小温度和机械应力的影响 增强抗干扰能力 降低成本并提高可靠性
磁电式传感器实训报告
一、实验目的1. 了解磁电式传感器的工作原理和结构特点；2. 掌握磁电式传感器的安装、调试和应用方法；3. 学会使用磁电式传感器进行测量和信号处理；4. 提高实际操作能力和工程应用能力。
二、实验原理磁电式传感器是一种能将非电量的变化转换为感应电动势的传感器，它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。
磁电式传感器主要由永久磁钢、感应线圈、电路等部分组成。
当被测物体运动时，磁钢与线圈产生相对运动，线圈中的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。
三、实验器材1. 磁电式传感器：型号为LM393；2. Arduino Uno控制板；3. USB数据线；4. 振动平台；5. 示波器；6. 直流稳压电源；7. 电桥；8. 霍尔传感器；9. 差动放大器；10. 电压表；11. 测微头。
四、实验步骤1. 磁电式传感器安装：将磁电式传感器安装在振动平台上，确保传感器与振动平台固定牢固。
2. 传感器调试：调整传感器与振动平台的相对位置，使传感器能够正常工作。
3. 磁电式传感器信号采集：使用Arduino Uno控制板采集磁电式传感器的信号。
4. 信号处理：将采集到的信号通过示波器进行观察和分析，分析信号的波形和频率。
5. 霍尔传感器安装：将霍尔传感器安装在振动平台旁的支架上，确保传感器与振动平台固定牢固。
6. 霍尔传感器信号采集：使用Arduino Uno控制板采集霍尔传感器的信号。
7. 信号处理：将采集到的信号通过示波器进行观察和分析，分析信号的波形和频率。
8. 比较两种传感器特性：比较磁电式传感器和霍尔传感器的信号波形和频率，分析两种传感器的优缺点。
9. 实验结果分析：根据实验结果，分析磁电式传感器的测量精度、响应速度和抗干扰能力。
五、实验结果与分析1. 磁电式传感器信号波形和频率：通过示波器观察，磁电式传感器信号波形稳定，频率与振动频率一致。
2. 霍尔传感器信号波形和频率：通过示波器观察，霍尔传感器信号波形稳定，频率与振动频率一致。
磁电感应式传感器
结构中，变磁阻式传感器的线圈和磁铁都是静止不动的，利用 磁性材料制成一个齿轮，在运动中它不断地改变磁路的磁阻， 也就改变了贯穿线圈的磁通量 d Φ / dt ，因此在线圈中感应出电 动势。
下图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮 安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿 的凹凸引起磁路磁阻变化一次，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。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加 装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。
e = − N 0 B0 lv
式中：B0——工作气隙磁感应强度； l—— 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。
2、变磁阻式磁电传感器
当一个N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φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下 关系：
0
y 01 (t )
d 2 y0 (t ) d [ y0 (t ) − y1 (t )] m +c + k[ y0 (t ) − y1 (t )] = 0 2 dt dt
代入 则
y 01 (t ) = y 0 (t ) − y1 (t )
d 2 y01 (t ) dy01 (t ) d 2 y1 (t ) m +c + ky01 (t ) = −m 2 dt dt dt 2
一、磁电感应式传感器工作原理
1．恒磁通式磁电传感器
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
dφ e = −N dt
e = − NBlυ
e = − NBAω
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
➢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
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
磁电式传感器的原理及应用
磁电式传感器的原理及应用引言磁电式传感器是一种常见的传感器类型，广泛用于测量和检测磁场、电流、位移等物理量。
本文将介绍磁电式传感器的工作原理以及一些应用领域。
工作原理磁电式传感器是基于磁电效应工作的，磁电效应是指在外加磁场下材料产生的电磁感应效应。
磁电式传感器一般由磁电材料和传感器结构组成。
磁电材料是传感器的核心部分，它具有磁场敏感性，能够将外加磁场转化为电信号。
常见的磁电材料有磁电晶体、磁电陶瓷等。
传感器结构一般采用薄膜形式，具有高灵敏度和快速响应的特点。
具体来说，磁电式传感器的工作原理如下：1.当外加磁场作用于磁电材料时，磁电材料内部的晶格结构会发生改变。
2.这种晶格结构的改变会引起材料内部的电荷分布发生变化。
3.电荷分布的变化会产生一个电场，进而产生电压差。
4.通过测量电压差的大小，可以确定外加磁场的强度。
应用领域磁电式传感器在许多领域都有广泛的应用，下面列举了一些常见的应用领域：1. 磁场测量磁电式传感器可以用于测量磁场的强度和方向。
例如，在地磁测量中，磁电式传感器可以用来检测地磁场的变化，帮助我们研究地球的磁场分布和变化规律。
2. 电流测量由于电流在传感器周围会产生磁场，磁电式传感器可以用来测量电流的大小和方向。
这在电力系统中非常重要，可以用于电流监测和故障检测。
3. 位移测量磁电式传感器还可以用来测量物体的位移。
通过将磁电传感器与磁体结合使用，可以实现非接触式的位移测量。
这在自动化控制、机器人技术等领域有着广泛的应用。
4. 电子设备磁电式传感器可以用于电子设备中的位置检测、方向检测等功能。
例如，在手机中，磁电式传感器能够检测手机的方向，从而实现屏幕的自动旋转功能。
5. 医疗领域磁电式传感器在医疗领域也有着重要的应用。
例如，可以用于心脏磁场的监测和分析，帮助医生进行心脏病的诊断和治疗。
总结磁电式传感器是一种基于磁电效应工作的传感器，具有广泛的应用。
本文介绍了磁电式传感器的工作原理，以及在磁场测量、电流测量、位移测量、电子设备和医疗领域中的应用。
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e NBlv
接入积分电路测量位移
接入微分电路测量加速度
x vt
dv a dt
4、磁电式传感器应用举例
磁电式传感器 可以用来测量振动、位移、转速、扭
矩等信号，将被测信号转化为电压信号。由于它为非接触 测量，永不磨损，抗干扰能力强，可靠性高，寿命长，有 较大的输出功率且性能稳定，因此在工程中被广泛使用。
90 0
90 0
感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比
1.工作原理及分类
在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值， 感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω )成正比， 所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线 速度或角速度。
1.工作原理及分类
速度传感器型号举例： CD-6型磁电式振动速度传感 器，安装在各种机械装置的 轴承盖上。
磁铁和线圈的相对运动产生切割磁力线从而产生感应电势
e Blv sin Blv e BS sin BS
式中： B——气隙磁感应强度(Wb/m2) l ——线圈导线总长度(m) S——线圈所包围的面积(m2) v——线圈和磁铁间相对运动的速度(m/s) ω——线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s) α——运动方向与磁感应强度方向的夹角
1.工作原理及分类
磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据 法拉第电磁感应定律可知，N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e的大小取决于穿过线圈的磁通Φ的变化率，即:
d e N dt
磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相 对运动速度有关。
磁电式速度传感器
磁电式转速传感器
4、磁电式传感器应用举例
4.1扭矩测量 当转轴不受扭矩时，两线 圈输出信号相同，相位差为零。 当被测轴感受扭矩时，轴的两 端产生扭转角，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 。，扭 0 转角 与感应电动势相位差的 关系为 z
0
式中：z为传感器定子、转子的 齿数。
1.工作原理及分类
1.4变磁通式传感器 变磁通式磁电感应传感器又称为变磁阻式或变气隙式磁 电传 感器， 常用来测量转速和扭矩 。 开磁路式：
1.工作原理及分类
测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转 动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一 次，线圈中产生感应电势。由频率计测得f，即可求得转速n。
磁电式传感器测量电路
传感器的电流灵敏度为:
Io BolW SI v R Rf
2、传感器基本特性
U0 I0 R f
传感器的电压灵敏度为：
NB0lvRf R Rf
SU
U 0 NB0lR f v R Rf
3、信号调理电路
微分电路和积分电路置于两级放大器之间，可测更多 物理量。 直接输出电动势测量速度
60 f n z
1.工作原理及分类
开磁路式传感器的安装：
1.工作原理及分类
结构简单，稳定。但输出信号小。 闭磁路式： 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，
1-永久磁铁；3-感应线圈； 5-内齿轮；6-外齿轮； 7-被测转轴
4、磁电式传感器应用举例
齿形 圆盘 扭转 轴 u u2
u1
t
磁电 传感器 2 1 磁电 传感器 u1 u2 测量 仪表
4、磁电式传感器应用举例
4.2用于汽车ABS系统：
4、磁电式传感器应用举例
★齿轮装在轮毂上，传感器与车轿 壳连在一起。 ★齿轮转动时，齿圈上的齿和齿槽 交替通过传感器，从而使磁路磁阻 变化； ★传感器可输出0.05-1.5hz的正弦 交流电压。
1.工作原理及分类
1.2 分类：
恒磁通传感器 磁电传感器
动圈式
动磁式 开磁路式
变磁通传感器
闭磁路式
1.工作原理及分类
1.3恒磁通式传感器 由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架组成，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，气隙中的磁 通也恒定不变，结构常分为动圈式和动磁式。
1.工作原理及分类
磁铁
线圈
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磁电式传感器
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主 要 内 容
磁电式传感器原理及分类
传感器基本特性 信号调理电路
磁电式传感器应用举例
1.工作原理及分类
1.1 工作原理
磁电式传感器是通过磁电作用把被测物理量（如振动、 位移、速度、转速等）转换为感应电动势的一种传感器。被测信息Fra bibliotek电磁元件
信号调理电路
输出信息
优点：一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源， 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（一般为10～1000Hz) 不需要辅助电 缺点：尺寸和重量都较大。 源，是一种无 源传感器。
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势。 显 然， 感应电势的频率与被测转速成正 比。
n 60 f z
2、传感器基本特性
Io 传 感 器 R E Rf
当测量电路接入磁电传感器电路时， 磁电传感器的输出电流Io为：
E BolWv Io R Rf R Rf
式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。