磁电式传感器及应用
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。
磁电位置传感器原理与应用
磁电位置传感器原理与应用
当物体的位置发生变化时，感应元件所受到的磁场也会发生变化。
通
过测量感应元件的形状变化或压电信号的变化，我们可以确定物体的位置。
1.机械工业：磁电位置传感器可以用来测量机械设备的位置，例如液
压缸的位置、机床的位置等。
它能够提供准确的位置反馈，帮助保持机械
设备的精度和稳定性。
2.汽车工业：磁电位置传感器可以用于测量汽车零部件的位置，例如
节气门的位置、气门的位置等。
它可以帮助发动机控制系统实时监测各个
零部件的位置，从而实现更精确的控制和调整。
3.医疗器械：磁电位置传感器可以用于测量医疗器械的位置，例如电
动手术床的位置、医用机器人的位置等。
它可以提供医疗人员准确的位置
信息，帮助进行精确的操作和治疗。
4.航空航天工业：磁电位置传感器可以用于测量飞机和航天器的位置，例如飞行控制面的位置、航天器的位置等。
它可以提供准确的位置反馈，
帮助控制系统实时监测和调整。
总之，磁电位置传感器是一种重要的测量技术，在多个领域都有广泛
的应用。
通过利用磁电效应，它可以提供准确的位置测量，有助于改善设
备的控制和性能。
随着技术的不断进步，磁电位置传感器的应用前景将更
加广阔。
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。
传感器原理及应用第7章-磁电式传感器概要
传感器原理及应用
7．1 磁电感应式传感器（电动式）
7.1.2 磁电感应式传感器的应用
❖ 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
u
转轴
磁电传感器1
u1
磁电传感器2
➢随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向发展。
第7章 概述
磁电式传感器
传感器原理及应用
➢ 霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电
转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。 ➢随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展， 广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等 方面的电磁、压力、加速度、振动测量。 ➢ 特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。
7.1.2 磁电感应式传感器的应用
➢磁电感应式传感器 通常用来做机械振动 测量。振动传感器结 构大体分两种：
① 动钢型（线圈与 壳体固定）
② 动圈型（永久磁 铁与壳固定）
动圈型
动钢型 恒磁通式
第7章 磁电式传感器
传感器原理及应用
7．1 磁电感应式传感器（电动式）
7.1.2 磁电感应式传感器的应用
❖ 动圈式振动速度传感器
磁
电
学 量
磁敏传感器
信 号
第7章 磁电式传感器
7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应
传感器原理及应用
➢1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为 太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体 材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传 感器是基于霍尔效应
磁电传感器的原理和应用
磁电传感器的原理和应用前言磁电传感器是一种能将磁场信号转换成电信号的传感器，广泛应用于各种领域。
本文将介绍磁电传感器的原理和应用。
一、磁电传感器的原理磁电传感器的工作原理基于磁效应，主要包括霍尔效应、磁电阻效应和磁敏电容效应。
1. 霍尔效应霍尔效应是最早被发现和广泛应用的磁电效应之一。
当电流通过一块导电材料时，若将其放在磁场中，磁场就会对电子流的平衡状态产生影响，从而引起一侧电子浓度的变化，产生电压差。
这个电压差被称为霍尔电压。
2. 磁电阻效应磁电阻效应是指材料在外加磁场下，其电阻发生变化的现象。
常见的磁电阻效应有巨磁电阻效应（GMR）和隧道磁电阻效应（TMR）。
它们的本质是通过控制材料中磁性局域区域的磁结构来改变电阻值。
3. 磁敏电容效应磁敏电容效应是指材料在磁场下，电容值发生变化的现象。
这种效应通常是通过改变材料中的磁性局域区域的电容性质来实现的。
二、磁电传感器的应用磁电传感器由于其高灵敏度、响应速度快、易于集成等特点，在许多领域得到了广泛的应用。
1. 汽车工业磁电传感器在汽车工业中起到了重要的作用。
例如，在车辆换挡控制中，霍尔效应传感器被用于检测离合器和制动踏板的位置，从而实现自动换挡；在刹车控制中，磁敏电容效应传感器被用于检测刹车片的磨损程度，提供刹车片更换的提示。
2. 电子设备磁电传感器广泛应用于各种电子设备中。
例如，在手机中，磁敏电容效应传感器被用于检测翻盖状态和磁盖位置，实现手机的自动睡眠和唤醒功能；在音频设备中，磁电阻传感器被用于控制音量调节，实现用户友好的操作体验。
3. 工业自动化磁电传感器在工业自动化领域中发挥着重要的作用。
例如，在生产线上，磁敏电容效应传感器被用于检测零件的位置和运动状态，实现精准的定位和控制；在机械加工过程中，磁电阻传感器被用于检测工件的尺寸和形状，实现自动化的加工过程控制。
4. 医疗器械磁电传感器在医疗器械领域中应用广泛。
例如，在磁共振成像（MRI）中，磁电阻传感器被用于检测磁场强度和方向，提供精准的成像结果；在心脏起搏器中，霍尔效应传感器被用于检测心脏的电信号，实现有效的心脏节律调整。
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。
磁电式传感器的工作原理与应用
磁电式传感器的工作原理与应用磁电式传感器是基于电磁感应原理,通过磁电相互作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电动式传感器。
根据电磁感应定律，N匝线圈中的感应电动势。
感应电动势的大小由磁通的变化率决定。
磁通量协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;磁路中磁阻变化;恒定磁场中线圈面积变化等。
因此可以制造出不同类型的磁电式传感器。
磁电式传感器是一种机一电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围，适合于振动、转速、扭矩等测量。
但这种传感器的尺寸和重量都较大。
恒定磁通磁电式传感器由永久磁铁(磁钢)、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。
系统产生恒定直流磁场，磁路中工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。
它们的运动部件可以是线圈，又可分为圈式或动铁式两种结构类型。
恒磁通磁电式传感器结构原理图磁铁与传感器壳体固定，线圈和金属骨架(合称线圈组件)用柔软弹簧支承。
线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。
两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。
动圈式和动铁式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，因此振动频率足够高(远高于传感器的固有频率)时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，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。
线圈与磁铁间相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度成正比的感应电动势，线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数;工作气隙中磁感应强度;每匝线圈的平均长度。
这类传感器的基型是速度传感器，能直接测量线速度。
因为速度与位移和加速度之间有内在的联系，即它们之间存在着积分或微分关系。
因此，如果在感应电动势的测量电路中接入一积分电路，则它的输出就与位移成正比;如果在测量电路中接人一微分电路，则它的输出就与运动的加速度成正比。
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
磁电感应式传感器的应用课件
磁电感应式传感器通过磁场的变 化来感应被测物体的状态或变化 ，并将感应信号转换为电信号输 出，以供后续处理或控制使用。
类型与特点
类型
磁电感应式传感器有多种类型，如霍 尔传感器、磁阻传感器、磁通门传感 器等。
特点
磁电感应式传感器具有高灵敏度、高 分辨率、低噪声、长寿命等优点，同 时对温度、湿度等环境因素具有较强 的适应性。
04
磁电感应式传感器的优势与局限 性
优势分析
高灵敏度与分辨率
磁电感应式传感器能够精确地 检测微弱磁场变化，适用于对
微小信号有高要求的场合。
快速响应
由于其工作原理，磁电感应式 传感器能够迅速响应磁场变化 ，适合动态测量。
宽测量范围
通过调整设计参数，磁电感应 式传感器可以覆盖很宽的磁场 范围，满足多种应用需求。
磁电感应式传感器能够测量磁场强度 和方向，常用于地质勘查、机、发电机等设备的运行过程中 ，磁电感应式传感器可以检测磁场变 化，确保设备正常运行。
电机与发电机控制
电机控制
磁电感应式传感器可用于控制电机的启动、停止、正反转等操作，提高电机运行效率和稳定性。
发电机调节
柱形线圈等，以满足不同测量范围和精度要求。
磁路结构设计
02
优化磁路结构，减小磁阻，提高磁场利用率，从而提高传感器
的灵敏度和线性度。
封装与防护设计
03
考虑传感器的封装和防护设计，以提高其环境适应性和使用寿
命。
性能提升与改进
信号处理与放大
采用适当的信号处理电路和放大 器，对传感器输出信号进行放大 和滤波，以提高信号质量和测量 精度。
信号处理与
信号处理电路
磁电感应式传感器输出的感应电动势信号非常微弱，需要通过信号处理电路进行 放大、滤波等处理，以便更好地进行测量和输出。
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磁电式传感器及应用
磁电式传感器是一种利用磁场和电压的相互作用来检测和测量非电信号的传感器。
它们通常由一个可移动的磁体和一个固定的线圈组成，当磁体移动时，会在线圈中产生感应电动势，从而实现信号的转换和测量。
磁电式传感器的应用非常广泛，包括工业自动化、汽车工业、医疗设备、航空航天和消费电子等领域。
在工业自动化领域，磁电式传感器常常用于测量和控制设备的位置、速度和加速度等参数。
例如，在机械加工设备中，通过安装磁电式传感器可以实现对工件位置、转速和加工质量等参数的实时监测和控制，从而提高加工精度和效率。
而在汽车工业中，磁电式传感器则常用于发动机控制系统、转向系统和车辆安全系统等方面，如发动机转速传感器、转向角传感器和车速传感器等。
在医疗设备领域，磁电式传感器也扮演着重要的角色。
例如，在核磁共振成像设备（MRI）中，磁电式传感器可以用来监测和测量磁场的强度和方向，从而实现对磁共振成像过程的精确控制和调节。
同时，磁电式传感器还可以用于心脏起搏器、血压测量仪和呼吸机等医疗设备中，用来监测和测量生物体内部的信号和参数。
在航空航天领域，磁电式传感器也有着重要的应用价值。
例如，在飞机和导弹中，磁电式传感器可以用来检测飞行姿态、加速度和地磁场等参数，从而实现对飞行器的准确导航和定位。
同时，磁电式传感器还可以用于卫星和空间探测器中，用来测量和监测太空环境中的磁场和粒子辐射等信息。
在消费电子领域，磁电式传感器也有着广泛的应用。
例如，在智能手机和平板电脑中，磁电式传感器可以用来实现指南针功能、屏幕旋转功能和手势识别功能等。
同时，磁电式传感器还可以用于智能家居产品中，如智能门锁、智能灯具和智能家电等，用来实现对环境和用户行为的监测和控制。
总之，磁电式传感器作为一种重要的传感器技术，已经在各种领域得到了广泛的应用，并为各行各业的发展和进步做出了重要贡献。
随着科学技术的不断发展和进步，相信磁电式传感器在未来会有更加广阔的应用前景和发展空间。