第五章磁电式传感器
磁电式传感器名词解释
磁电式传感器名词解释磁电式传感器，这名字听起来是不是有点神秘？其实啊，就像咱们生活中的一些小玩意儿，虽然名字高大上，原理却可以很接地气。
咱先说说这磁电式传感器是干啥的。
你可以把它想象成一个特别灵敏的小侦探，专门用来探测磁场和电场的变化。
就好比咱们家里要是进了贼，肯定有一些不寻常的动静被发现一样，磁电式传感器就是专门捕捉磁场和电场那些“不寻常动静”的。
比如说，在电机里，电机一转啊，磁场就会有变化，这磁电式传感器就能敏锐地察觉到这个变化，就像鼻子超级灵的小狗，一点点异味都能嗅出来。
那这磁电式传感器长啥样呢？它啊，结构说简单也简单，说复杂也有点复杂。
简单来说呢，就有一些磁性材料和线圈之类的东西组合在一起。
这就好比是一个小团队，每个成员都有自己的任务，组合在一起就能发挥大作用。
磁性材料就像是一个能量源，能产生磁场，而线圈呢，就像是一个捕捉器，专门捕捉磁场变化带来的信号。
再讲讲它的工作原理吧。
当磁场发生变化的时候，就会在线圈里产生感应电动势。
这就像风吹过湖面会泛起涟漪一样自然。
磁场的变化就如同那阵风吹过，而线圈里产生的感应电动势就是那泛起的涟漪。
这种感应电动势可是很有用处的，可以转化成电信号，然后我们就可以根据这个电信号来知道磁场或者电场发生了什么样的变化。
这就好比我们看到湖面的涟漪大小、方向，就能大概知道风是从哪个方向吹来，风力有多大。
磁电式传感器的种类那也是不少呢。
有动圈式的，这就像一个灵活的小舞者。
动圈式的磁电式传感器里面的线圈是可以动的，就像小舞者在舞台上自由地舞动。
当有磁场变化的时候，这个可动的线圈就会做出反应，产生我们需要的信号。
还有动铁式的呢，这动铁式就像是一个有力量的大力士。
动铁式磁电式传感器里的铁磁体是可以动的，磁场一变化，铁磁体的动作就会让线圈产生相应的信号，就像大力士用力的时候，周围的东西都会受到影响一样。
磁电式传感器在咱们生活中的应用可广泛了。
在汽车里，它能用来检测发动机的转速。
发动机一转，磁场变化，传感器就知道发动机转得多快了，这就像汽车的一个小管家，时刻关注着发动机的状态。
磁电式速度传感器课件
VS
集成化
集成化是未来传感器的一个重要发展趋势 ，通过将多个传感器元件集成在一个芯片 上，实现传感器的小型化、轻量化、低功 耗等特点，提高传感器的应用范围和性能 。
在新兴领域的应用前景
新能源汽车
随着新能源汽车的快速发展，磁电式速度传 感器在新能源汽车中的应用前景广阔，如用 于电机转速的检测、车辆速度的检测等。
机械结构设计
总结词
机械结构设计是磁电式速度传感器制造中的重要环节，它决定了传感器的精度、稳定性和使用寿命。
详细描述
在机械结构设计中，需要考虑到传感器的尺寸、重量、安装方式等因素，以确保传感器在实际应用中 的可靠性和稳定性。同时，还需要对传感器的材料、热处理等进行优化，以提高其机械性能和耐久性 。
磁路设计
智能交通
智能交通系统是未来交通发展的重要方向， 磁电式速度传感器可以用于智能交通系统中 的车辆速度检测、交通流量统计等方面，提 高交通管理的智能化水平。
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新型绝缘材料
绝缘材料在磁电式速度传感器的制造 中起着重要作用，新型绝缘材料如氮 化硅、碳化硅等具有高绝缘性、低介 电损耗等特点，能够提高传感器的绝 缘性能和稳定性。
智能化与集成化的发展趋势
智能化
随着人工智能和物联网技术的发展，磁 电式速度传感器将逐渐实现智能化，具 备自适应、自学习、自诊断等功能，提 高传感器的工作效率和可靠性。
应用领域
汽车领域
用于发动机转速、车速、ABS 系统等速度检测。
航空领域
用于飞机轮速、滑行速度等速 度检测。
工业自动化领域
用于电机转速、机械传动速度 等速度检测。
其他领域
如医疗器械、环保设备等需要 进行速度检测的领域。
磁电式传感器优秀课件.ppt
磁电式传感器(优秀课件
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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，发生偏移，在半 导体第二垂直方向端面之间建立起霍尔电势。
磁电式传感器(优秀课件
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➢在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：
FL q B
霍尔电场作用于电子的力 FH qEH
1 nq
KH
RH d
讨论：
• 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件;
• 绝缘材料电阻率ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；
• 金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小; • 半导体材料电阻率ρ较大 RH大，非常适于做霍尔元件， 半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元 件多采用 N 型半导体（多电子）; • 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大，
e sv
x vt
a dv dt
磁电式传感器(优秀课件
12
❖ 磁电式扭距传感器：
当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应 电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比， 传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。
齿型转盘
转轴
磁电传感器1
u1
u
磁电传感器2
u2
测量电路
磁电式传感器(优秀课件
磁电式传感器(优秀课件
6
9.1.2 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，如图
所示，磁电传感器的输出电流Io为
Io
E RRf
BolWv RRf
传感器的电流灵敏度为
SI
Io v
BolW R Rf
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。
传感器原理与应用习题_第5章磁电式传感器
5-6 解：已知D1=18mm221+p2/，解：已知ξ=0.6，振幅误差小于2%。
若振动体作简谐振动，即当输入信号x 0为正弦波时，可得到频率传递函数为正弦波时，可得到频率传递函数÷÷øöççèæ+÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=02020021)(w w x w w w w w j j x x t 得 振幅比2022020021úûùêëé÷÷øöççèæ+úúûùêêëé÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=w w x w w w w j x x t0x x t =1.02时，0w w =3.51；0x x t =0.98时，0w w=1.45因要求0w w>>1，一般取0w w ≥3，所以取0w w ≥3.515-11 已知磁电式振动速度已知磁电式振动速度传感器传感器的固有频率n f =15Hz ，阻尼系数ξ=0.7。
若输入频率为f=45Hz 的简谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？5-12 何谓何谓霍尔效应霍尔效应？利用霍尔效应可进行哪些参数测量？ 答：当答：当电流电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。
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。
05磁电式传感器-霍尔传感器
(a) 霍尔元件外形
(b)电路符号
(c) 基本应用电路
3．霍尔元件的主要特性及材料 1) 霍尔元件的主要特性参数
(1) 灵敏度kH：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所 得到的开路（RL=∞）霍尔电动势，单位为V/(A·T)。
(2) 霍尔输入电阻Ri：霍尔控制电流电极间的电阻值。 (3) 霍尔输出电阻Ro：霍尔输出电极间的电阻值。 (4) 霍尔电阻的温度系数α：表示在一定的磁感应强度和 控制电流的条件下，环境温度每变化1℃时霍尔元件材料的 电阻变化率，单位为%/℃。
R
i0
2) 合理选择负载电阻RL的阻值 霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电动势UH都是温度的函数(设为正 温度系数)，当霍尔元件接有负载RL时，在RL上的电压为：
UL R L U H 0 [1 ( t t 0 )] R L R o 0 [1 ( t t 0 )]
为了负载上的电压不随温度变化，应使dUL/d(t-t0)=0，即
在上述的4种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及 自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以 通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误 差，则必须通过补偿电路给予克服。 霍尔元件结构及等效电路如图
在理想情况下R1=R2=R3=R4，即可取得零位电动势为零(或零位电阻 为零)，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则 说明此4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可 在阻值较大的桥臂上并联可调电阻 RP 或在两个臂上同时并联电阻 RP 和R。
霍尔效应演示
B
C D A
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A、B方向的端面之间建立起霍尔电 势。
传感器电子讲稿-第五章磁电式和磁敏式传感器
政策支持
政府应加大对传感器产业的支 持力度，推动相关产业的发展
。
应用领域拓展
随着新技术的不断涌现和应用 需求的增长，传感器将有更广 阔的应用前景和发展空间。
05
实际应用案例分析
磁电式传感器应用案例
01
案例一：磁场强度检测
02
案例一：磁场强度检测
03
案例一：磁场强度检测
04
案例一：磁场强度检测
磁敏式传感器应用案例
案例一：电流检测
输标02入题
磁敏式传感器可以用于检测线路中的电流，如电流互 感器。通过测量磁场的变化，可以间接测量线路中的 电流大小，为电力系统提供监测和控制功能。
01
03
在自动化生产线中，磁敏式传感器常被用作接近开关， 检测物体的位置和运动状态，实现自动化控制。
04
案例二：接近开关
比较分析与应用建议
环境监测
用于检测磁场、电磁场和磁场变化等环境参数， 实现对大气污染、水体质量等的实时监测。
机器人技术
用于机器人姿态、位置和运动状态的感知，提高 机器人的自主导航和操作能力。
面临的挑战与机遇
01
02
03
04
技术创新
需要不断进行技术创新，提高 传感器的性能指标和应用范围
。
市场竞争
面临国内外同行的竞争，需要 加强品牌建设和市场推广。
磁电式和磁敏式传感器的未来发展
技术发展趋势
01
02
03
04
微型化
随着微电子和纳米技术的发展 ，磁电式和磁敏式传感器将进 一步实现微型化，提高集成度 和灵敏度。
智能化
传感器将与人工智能、物联网 等技术结合，实现智能化感知 、数据处理和远程控制等功能 。
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霍尔集成传感器内部虽然设有差分放大器，但其 输出的电压仍然满足不了使用电路的要求，为此，将 信号加一级放大，便可得到足够大的信号幅度。
＋5V
IC1
UOUT
IC2
－5V
第五章磁电式传感器
③霍尔元件在电流测量上的应用
在现代工程技术中，往往要测量大直流电流，有 时直流电流值高达10KA以上。过去，多采用电阻器 分流的方法来测量这样大的电流。这种方法有许多缺 点，如分流器结构复杂、笨重、耗电、耗铜等。利用 霍尔效应原理测量大电流可以克服上述的一些缺点。 霍尔效应大电流计结构简单、成本低、准确度高，在 很大程度上与频率无关，便于远距离测量，测量时不 需要断开回路。
（4）零位电势：磁场B=0时，通过激励电流产生的电势---零位电势 原因---两个霍尔电极不在一个等位面上 ---- 不等位电势 材料不均匀，工艺差 补偿---电桥平衡，并联电阻
第五章磁电式传感器
（5）温度特性：温度---电阻率、载流子、尺寸 补偿 ---电桥，热敏电阻，
（6）寄生直流电势：激励---交流控制电流； 输出---交流+直流 原因---霍尔电极不对称
霍尔电势：UH
RH d
IB
RH--霍尔系数 ， d—霍尔片厚度
灵敏度： kHR H/d/ d ρ—电阻率，μ—载流子迁移率
霍尔元件材料：高电阻率（ρ↑）、高迁移率（μ↑）
金属---迁移率高、电阻率低；
→ 半导体 薄片（锗、硅）
绝缘体---电阻率高、迁移率低；
霍尔元件形状：
第五章磁电式传感器
2、霍尔元件特性
➢ 霍尔元件可以测量磁物理量及电量、还可以通 过转换测量其它非电量。
➢ 由于霍尔元件的输出量是比例于两个输入量的 乘积，因此可以方便而准确地实现乘法运算， 可构成各种非线性运算部件。
➢ 霍尔元件工作从直流到数百千赫兹的频率范围 内。
霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，具体 产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、位 移传感器、乘法器、调制器等。
第五章 磁电式传感器
原理：被测量---磁电作用---电信号 分类：磁电感应式传感器、霍尔式传感器、磁栅传感器
一、磁电感应式传感器
1、原理： 电磁感应定律：线圈在均衡磁场中运动 --- 感应电势
e W d dt
W-匝数 Φ-磁通量， 被测量---磁通变化---电信号
2、结构： 变磁通式，恒磁通式
(1) 变磁通旋转型：
1-永久磁铁：磁钢， 2-磁芯：导磁 3-衔铁：动铁心，旋转---感应电势 用于：测量转速、振动 第五章磁电式传感器
(2) 变磁通平移型： 1-永久磁铁：磁钢， 2-磁芯：导磁 3-衔铁：动铁心，旋转---感应电势 用于：测量线速度、振动
(3) 恒磁通动圈式 磁通恒定，线圈运动---切割磁力线---感应电势
(4) 恒磁通动铁式： 永久磁铁运动
第五章磁电式传感器
3、特点：
（1）有源传感器，无需辅助电源，也称电动式、感应式 （2）输出功率大，配用电路简单，甚至可以直接输出显示
（3）零位及性能稳定，抗干扰能力强，适于矿山、冶金等行业；
（4）频响差，一般频带为10~1000Hz
4、应用：
主要用于测量低频振动参数
（1）形状效应：长宽比(l/b)---宽度增大，载流子损失增大，霍尔电势减弱；
修正：
UH
RH d
IB f(l/b)
f(l/b)---形状系数
l/b 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0
f(l/b) 0.370 0.675 0.841 0.923 0.967 0.984 0.996
霍尔元件厚度d---越薄，灵敏度越高 --- 薄片
第五章磁电式传感器
②利用霍尔线性集成传感器进行磁法覆盖 层厚度测量
磁法覆盖厚度测量是指对铁磁性物质表面非 磁性涂层的厚度测量。
例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷 等覆盖层的厚度等便可使用磁法厚度测量的方法。
第五章磁电式传感器
SL3501M 磁回路
永磁体 U型铁心
将U型硅钢片 铁芯中间断开，然 后将SL3501M霍尔 线性集成传感器和 一片钕铁硼永磁体 夹在中间，用502 胶粘牢。
（7）自激场零电势：控制电流引线弯曲-自激场
3、霍尔传感器应用
特点：体积小，质量轻，结构简第五单章，磁电使式用传方感器便，集成化
（1）霍尔式磁传感器： 霍尔电势与磁感应强度成正比--测量---交流、直流，磁感应强度、磁场强度，
（2）霍尔式位移传感器： 磁场---均匀、梯度变化 霍尔电势---位置 测量---微位移，0.5mm
第五章磁电式传感器
①、转速测量
ω N 霍尔元件 VH
0π
2π
S
永磁体装在轴端的转速测量方法
ω
VH
α（转角）
S 霍尔元件
0 N
α（转角）
永磁体装在轴侧的转速测量方法 第五章磁电式传感器
霍尔式转速计
工作原理及用途：
被测体上贴一磁钢，非接触式测量，高可靠，适用于 低转速，体积小、安装方便，对环境无要求，适合各 种恶劣环境、污浊环境、功耗低，适宜长期工作。
铁磁基体
覆盖层
测量时将U形铁芯的两极放到被测物体表面上，这时永磁 体产生的磁通便通过U形铁芯和被测物体构成磁回路。当被测 物体表面覆盖层厚度不同时，磁回路的磁阻和磁通量将会发生 变化，磁回路中的霍尔集成传感器将会检测出磁场强度的不同， 从而使霍尔集成传感器产生的输出电压随覆盖层厚度的不同而 变化，完成覆盖层非电量第到五电章磁量电式的传转感器换。
限制---阻抗增大，功耗增大，发热温升 （2）电磁特性：激励电流---UH~I 线性关系，电流灵敏度：kI kHB
磁感应强度--- UH~B 多数非线性，材料不同-特性不同 内阻---R~B 多数线性，磁阻效应，降低霍尔电势
第五章磁电式传感器
（3）额定激励电流： 激励电流增大 --- 发热 --- 温升， 温升10℃时的激励电流 ---- 额定激励电流
（3）霍尔式电流电压传感器： 电流 --- 感应磁场 --- 霍尔电势 测量---交流、直流，电流、电压、
（4）霍尔式压力传感器： 压力---弹性元件---位移---磁场---霍尔电势 测量---静态、动态压力
（5）其他： 霍尔式方位传感器：霍尔罗盘 霍尔式转速传感器：脉冲计数
第五章磁电式传感器
测量---交流、直流，电流、电压、
1 插座 2 芯轴3 弹簧片Fra bibliotek4 顶杆
5 限幅块
6 球铰链
7 永久磁铁
8 线圈
9 气隙
第五章磁电式传感器
10 弹簧片
二、霍尔式传感器
1、工作原理
霍尔效应： 磁场(B)，导体(l,b,d)，电流(I)---正交 电流：A面→B面，洛仑兹力作用， 左手定律：正电荷→C面，负电荷→D面 平衡后：两侧面形成横向电势—霍尔电势