电动势式传感器原理与应用
传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器
材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb)
1/ 2
4000 1840 4200
砷化铟(InAs)
磷砷铟(InAsP) 砷化镓(GaAs)
0.36
0.63 1.47
0.0035
0.08 0.2
25000
10500 8500
100
850 1700
1530
3000 3800
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架； 5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线 工作频率 固有频率 灵敏度 10～500 Hz 12 Hz 最大可测加速度 5g 可测振幅范围 精度 ≤10％ 45mm×160 mm 0.7 kg
0.1～1000 m 外形尺寸 1.9 k 质量
d E N dt
武汉理工大学机电工程学院
第6章 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 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恒磁通式和变磁通式两类。 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中，工作气隙中的磁通恒定，感 应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——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。
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第6章 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dx/dt 成正比的感应电动势E，其大小为
dx E NBl dt
式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应 强度；l为每匝线圈平均长度。 当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正 比，根据感应电动势E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 感器的灵敏度(E/v)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 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。 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10 Hz左右，高的可 达2 kHz左右。
感应电动势和电流
感应电动势和电流一、引言感应电动势和电流是电磁学中的基本概念，广泛应用于电力、电子、通信等领域。
感应电动势的产生原理及其与电流之间的关系是理解电磁现象的关键。
本文将从法拉第电磁感应定律出发，深入探讨感应电动势和电流的产生、变化及其应用。
二、法拉第电磁感应定律1831年，英国科学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象，并提出了法拉第电磁感应定律。
定律表述为：闭合回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通量变化率成正比，方向遵循楞次定律。
数学表达式为：[ = - ]其中，( ) 表示感应电动势，单位为伏特（V）；( _B ) 表示磁通量，单位为韦伯（Wb）；( t ) 表示时间，单位为秒（s）。
三、感应电动势的产生感应电动势的产生条件有两条：一是磁场与导体运动相对运动；二是导体闭合回路。
1.磁场与导体运动相对运动当磁场与导体运动相对运动时，导体内部自由电子受到洛伦兹力作用，产生电动势。
根据洛伦兹力公式：[ F = BIL ]其中，( B ) 表示磁场强度，单位为特斯拉（T）；( I ) 表示电流，单位为安培（A）；( L ) 表示导体长度，单位为米（m）；( F ) 表示洛伦兹力，单位为牛顿（N）。
自由电子在洛伦兹力作用下，做圆周运动，产生电动势。
电动势的大小为：[ = BAL ]其中，( A ) 表示导体横截面积，单位为平方米（m²）。
2.导体闭合回路当导体形成闭合回路时，感应电动势驱动自由电子发生定向移动，形成感应电流。
电流的大小与感应电动势、导体电阻有关。
根据欧姆定律：[ I = ]其中，( R ) 表示导体电阻，单位为欧姆（Ω）。
四、感应电动势和电流的变化1.感应电动势的变化感应电动势的大小取决于磁通量变化率。
当磁场强度、导体长度、导体横截面积或导体与磁场的相对速度发生变化时，感应电动势也会发生相应的变化。
2.感应电流的变化感应电流的大小取决于感应电动势和导体电阻。
当感应电动势或导体电阻发生变化时，感应电流也会发生相应的变化。
《传感器原理及应用》课后答案
第1章传感器基础理论思考题与习题答案1.1什么是传感器？（传感器定义）解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。
1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。
通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。
静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。
动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。
1.3传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用。
解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。
其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。
1.4传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。
衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。
意义略（见书中）。
动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。
1.5某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。
解：其灵敏度333001060510UkX--∆⨯===∆⨯1.6某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。
1.7某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。
感生电流和感应电动势
感生电流和感应电动势感生电流和感应电动势是电磁学中重要的概念。
它们描述了当磁场变化时在导体中产生的电流和电动势。
本文将详细介绍感生电流和感应电动势的定义、原理以及相关应用。
一、感生电流的定义和原理感生电流是指当导体处于磁场变化的环境中时，由于磁通量的变化导致在导体中产生的电流。
根据法拉第电磁感应定律，导体中感生电流的大小与磁通量的变化速率成正比。
当磁通量改变时，导体内部的自由电子被电磁感应力推动，从而形成感生电流。
在数学上，感生电流可以用以下公式表示：I = -dφ/dt其中，I表示感生电流的大小，φ表示磁通量，t表示时间，d/dt表示对时间的导数。
由此可见，感生电流的大小与磁通量变化的速率成反比。
二、感应电动势的定义和原理感应电动势是指当导体通过磁场变化时，在导体两端产生的电压。
根据法拉第电磁感应定律，导体中感应电动势的大小与磁通量的变化速率成正比。
当磁通量改变时，导体内部的自由电子被电磁感应力推动，从而在导体两端形成电压差。
在数学上，感应电动势可以用以下公式表示：ε = -dφ/dt其中，ε表示感应电动势的大小，φ表示磁通量，t表示时间，d/dt表示对时间的导数。
与感生电流类似，感应电动势的大小与磁通量变化的速率成反比。
三、感生电流和感应电动势的应用感生电流和感应电动势在实际生活和工业领域中具有广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景：1. 变压器：变压器是利用感应电动势原理工作的电力设备。
通过将电流在主线圈中产生的磁场传导到次级线圈中，从而实现电压的升降。
2. 发电机：发电机也是利用感应电动势原理工作的装置。
通过转动磁场和线圈之间的相对运动，产生感应电动势，从而转换机械能为电能。
3. 感应加热：感应加热是利用感应电流的发热效应进行加热的技术。
通过在导体中通以高频电流，使导体内部产生感应电流，从而加热导体。
4. 感应传感器：感应传感器利用感应电流的变化来感知周围环境的物理量。
例如，磁感应传感器可以通过测量磁场变化来检测物体的位置和运动。
传感器原理与应用作业参考答案
《传感器原理与应用》作业参考答案作业一1.传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。
传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。
测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。
2.传感器有哪些分类方法？各有哪些传感器？答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。
3.测量误差是如何分类的？答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。
4.弹性敏感元件在传感器中起什么作用？答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量〔如力、位移、速度、压力等〕的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。
5.弹性敏感元件有哪几种基本形式？各有什么用途和特点？答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。
变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。
实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。
它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。
感应电动势
感应电动势感应电动势是指在磁通量变化时产生的电压。
这个现象是由法拉第电磁感应定律所描述的，即当一个闭合线圈中的磁通量发生变化时，会在线圈中产生一个电动势。
这个电动势的大小与磁通量的变化速率成正比，方向与磁通量变化的方向相反。
感应电动势是电磁学中的一个重要概念，对于电动机、发电机、变压器等电器设备的工作原理和性能有着重要的影响。
在实际应用中，感应电动势有着广泛的应用，不仅用于电能转换，还应用于传感器、电子设备等领域。
在理解感应电动势时，需要了解两个重要的概念：磁通量和闭合线圈。
磁通量是指通过一个给定面积的磁场的总量，可以用数学公式Φ=B*A来表示，其中B是磁感应强度，A是垂直于磁场方向的面积。
闭合线圈是由导体组成的闭合电路，当磁通量发生变化时，闭合线圈内部会产生感应电动势。
根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小与磁通量的变化速率成正比。
当磁通量发生变化时，磁场会与闭合线圈中的导体相互作用，导致电子在导体中产生移动，从而形成电流。
这个产生的电流就是感应电动势。
感应电动势的方向与磁通量的变化方向相反，这是根据洛伦兹力定律推导出来的，即当一个运动带电粒子进入磁场中时，会受到一个与速度和磁场垂直的力。
这个力会使电子在导体中产生移动，从而形成感应电流。
在实际应用中，感应电动势有很多重要的应用。
例如，在电动机中，感应电动势使得电能转化为机械能，从而产生运动。
感应电动势还可以用于传感器，通过测量闭合线圈中的电流来测量磁场的强度，从而实现对磁场的检测。
总而言之，感应电动势是在磁通量变化时产生的电压，是电磁学中的一个重要概念。
它在电动机、发电机、传感器等众多电器设备中发挥着重要的作用。
对于理解电磁学的基本原理和应用具有重要意义。
电感式传感器的原理和应用
电感式传感器的原理和应用1. 电感式传感器的基本原理电感式传感器是一种利用电感变化来检测和测量物理量的传感器。
其基本原理是根据电感元件的特性，利用被测量物理量引起的电感值的变化来实现测量。
1.1 电感的定义电感是指电流在变化时所产生的电动势和电流的比值。
电感式传感器利用电感的变化来实现测量。
1.2 电感式传感器的工作原理电感式传感器一般由电感元件和测量电路组成。
当被测量物理量引起电感元件的感应电流时，感应电流的变化会导致电感元件的电感值发生变化。
测量电路通过测量电感值的变化来实现对被测量物理量的检测和测量。
2. 电感式传感器的应用领域电感式传感器在很多领域有着广泛的应用，以下是一些常见的应用领域。
2.1 汽车行业•发动机转速测量：利用电感式传感器测量发动机中的转子速度，帮助车辆控制系统实现精确控制。
•车速测量：通过测量车辆车轮旋转的电感变化来计算车辆的速度。
2.2 工业自动化•位置测量：利用电感式传感器测量物体的位置，可广泛应用于机械设备的控制和检测系统。
•压力测量：通过测量受压物体的形变引起的电感变化来实现压力的测量。
2.3 环境监测•温度测量：电感式传感器可由温度引起的电感变化来实现温度的测量，可以应用于温度传感器的制造。
•液位测量：利用电感式传感器测量液体的电感值变化来实现液位的测量。
2.4 医疗领域•心率监测：利用电感式传感器测量心脏的电感变化，可以实现对心率的监测。
•血氧测量：通过测量血液的电感变化来实现血氧的测量。
3. 电感式传感器的优势和不足3.1 优势•精确度高：电感式传感器具有较高的测量精度，能够满足很多精密测量的需求。
•响应快：电感变化可以快速地传递给测量电路，使得电感式传感器的响应速度比较快。
3.2 不足•非线性特性：电感式传感器的响应特性较为复杂，不同的物理量对电感的影响不尽相同。
•受环境影响较大：电感式传感器易受周围磁场、电磁干扰等环境因素的影响，需要进行屏蔽和抗干扰措施。
电感式传感器基本原理
电感式传感器基本原理一、引言电感式传感器是一种基于电磁感应原理的传感器，可用于测量物理量如位移、压力、力等。
本文将介绍电感式传感器的基本原理。
二、电磁感应原理电磁感应是指当导体中存在相对运动的磁场时，会在导体中产生电动势。
这个现象是由英国物理学家迈克尔·法拉第在1831年首次发现的。
三、电感电感是指导体中存在变化的磁场时，在导体内部产生的自感现象。
它可以用下面的公式来表示：L = NΦ / I其中，L表示电感，N表示线圈匝数，Φ表示穿过线圈的磁通量，I表示通过线圈的电流。
四、电感式传感器基本结构一个典型的电感式传感器由一个可动铁芯和一个固定线圈组成。
当铁芯移动时，它会改变线圈中穿过它的磁通量，从而改变线圈中的自感。
这个变化可以通过测量线圈中产生的电压来确定铁芯位置或者其他物理量。
五、应用实例：位移传感器一个常见的应用实例就是位移传感器。
在这种情况下，传感器的可动铁芯与被测物体相连。
当被测物体移动时，铁芯也会移动，从而改变线圈中的自感。
这个变化可以通过测量线圈中产生的电压来确定被测物体的位置。
六、优缺点电感式传感器具有以下优点：1. 灵敏度高；2. 响应速度快；3. 可以在宽范围内工作。
但是它也有一些缺点：1. 由于需要一个可动部分，所以它比其他类型的传感器更容易损坏；2. 它对外部磁场比较敏感，可能会受到干扰。
七、总结本文介绍了电磁感应原理、电感、电感式传感器基本结构以及应用实例和优缺点。
通过了解这些知识，我们可以更好地理解和使用电感式传感器。
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Zn f 60
第一节磁电式传感器
3、磁阻式磁电传感器
闭 磁 路 磁 阻 式 转 速 传 感 器
4 3 2 1 3 1 A 6 N S 7 A 5 6 5
(a )
(b )
采用在振动强的场合，有下限工作频率（50Hz ） 有上限工作频率可达到（100Hz ）
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第一节磁电式传感器
3、磁阻式磁电传感器
本章教学:
一、教学要求：
了解磁电式传感器的种类与应用特点； 理解压电效应的机理； 了解常用压电材料的种类与特性 掌握压电式传感器的结构、等效电路、测量电路和应用 范围。
掌握霍尔传感器的原理、结构及应用。特性和转换电路；
理解电动势式传感器的设计思想和设计要点，从中领会 应用中应注意的问题；明确各种传感器的应用范围。
• • • • 磁电式传感器 霍尔传感器 压电式传感器 本章重点：霍尔传感器的原理与应用； 本章难点：霍尔传感器系统的构成、测量方法。
四、教学过程：
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第一节磁电式传感器
电磁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。它不需要辅助电源， 就能 把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一 种有源传感器。 由于它输出功率大， 且电路简单， 性能稳定，输出阻抗小，具有一定的工作带宽 （10～1000 Hz），所以得到普遍应用。 但是只适合进行动态测量。
而电势的频率取决于磁通变化的频率。
结构：开磁路、闭磁路
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第一节磁电式传感器
3、磁阻式磁电传感器
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第一节磁电式传感器
3、磁阻式磁电传感器
开磁路 1－永久磁铁 3－感应线圈 2－软铁 4－齿轮
结构比较简单，但输出信号较小， 当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。
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第一节磁电式传感器
3、磁阻式磁电传感器
闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、 永久磁铁和感应线圈组成，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势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
工作原理
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
工作原理
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
工作原理
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
工作原理
如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的， 则当线圈与磁场的相对速度为υ 时，线圈的感应电动势：
4
第一节磁电式传感器
1、磁电式传感器的工作原理
2、动圈式磁电传感器 3、磁阻式磁电传感器 4、磁电式传感器的动态特性
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第一节磁电式传感器
1、工作原理
法拉第电磁感应定律：根据电磁感应定律，
感应电势为
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
d E N dt
如果线圈是N 匝，磁场强度是B，每匝线圈的平均长度la， 线圈相对磁场运动的速度为υ =dx/dt，角速度为 则整个线圈中所产生的电动势为：
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
结构
图5.1.2 磁电式振动传感器的结构原理图 1-弹簧片 2-永久磁铁 3-阻尼器 4-引线 5-芯杆 6-外壳 7-线圈 8-弹簧片
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第一节磁电式传感器
3、磁阻式磁电传感器
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。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，
E NBla v
6
E NBSw
S为每匝线圈的平均截面积
第一节磁电式传感器
1、工作原理
不同类型的磁电式传感器
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
弹簧片 壳体 N 永磁体 S极 线圈 永磁体 永磁体 N极 S 线圈
工作原理
v
弹簧 壳体
（a）动圈式
（b）动铁式
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
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（a））和动铁式（图 (b)）的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。
1
介绍磁电式传感器、霍尔传感器和压电式传感器的 原理与应用。这几种传感器是将被测量转换为电动势的 装置。磁电式传感器应用磁感应原理工作，常用来测量
振动与转速；霍尔元件的工作原理是霍尔效应，多用于
测量位移和压力；压电式传感器的工作原理是压电效应 ，常用来测量振动、加速度等动态物理量。
2
本章教学:
二、教学时间安排：8学时 三、主要内容：
E NBla sin
当α ＝90°，线圈的感应电动势为：
E NBla
当N、B和la恒定不变时，E与υ =dx/dt成正比， 根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。
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第一节磁电式传感器
2、动圈式磁电传感器
磁电式传感器构成： 1、磁路系统：由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体 积，一般都采用永久磁铁； 2、线圈：由它运动切割磁力线产生感应电动势。 作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还 有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。 结构
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。
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第一节磁电式传感器
4、磁电感应式传感器基本特性
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