第五章 磁电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 。 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,是有源传感器 。 由于它输出功率大且性能稳定,具有一定的工作带宽 （ 10～
1000 Hz）,所以得到普遍应用 。
定义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。 直接将机械能转换为电能，是有源传感器。
第一节 磁电感应式传感器一、类型及其工作原理电磁感应定律
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 的变化率，
即
deN
dt
S
当线圈的导体与磁场之间做相对切割磁力线运动时，在导体中产生感应电动势。由此可设计一类恒磁通式磁电传感器。用于测量振动及线速度。
N S
L
v e
Bvle?
（一）恒定磁通式动圈式 动铁式恒磁通式磁电传感器 由永久磁铁,线圈,弹簧,金属骨架等组成 。
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,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 （（ a）） 和动铁式 （ (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,从而产生感应电势为特点：
1、磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，
磁通不变。
2、磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。
线圈产生的感应电势为 0e B lN v
0e B lN v
式中,B——工作气隙磁感应强度 ;
——每匝线圈平均长度 ;
——线圈在工作气隙磁场中的匝数 ;
v——相对运动速度。
l
0N
（二）变磁通式又称为变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度 。
开磁路变磁通式开磁路变磁通式,线圈,磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。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齿数的乘积。
/ 6 0f Z n
当齿轮的齿数 Z确定以后，若能测出 f就可求出转速 n(n＝ 60f／ z)。
这种传感器结构简单，但输出信号小，转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往往采用闭磁路。
闭磁路变磁通式变磁通式传感器对环境条件要求不高闭磁路变磁通式,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生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。
二、设计要点
1.工作气隙
2．永久磁铁使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上。
1
4d
d
l
3．线圈组件在高精度传感器中，线圈磁场效应不能忽略，采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。
三,磁电感应式传感器的应用
1,动圈式振动速度传感器工作原理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。该传感器测量的是振动速度参数。
（二）磁电感应式转速传感器
（三）磁电式扭矩传感器扭矩的电测技术主要是通过传感器把扭矩这个机械量转换成相位、然后用相位计来测量相位，从而达到测量扭矩的目的。
系统为开磁路变磁通系统。要求齿形圆盘制作完全一致。
（ 1）当扭距为 0时，两个磁电传感器输出的感应电压 u1和 u2完全一致，（同频、同相、同幅）相位差为 0。
（ 2）当有扭矩作用在扭转轴上时,两个磁电传感器输出的感应电压 u1和 u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。 这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。
第二节 霍尔式传感器一,工作原理
1,霍尔效应将半导体薄片置于磁场 B中,在薄片控制电极通以电流 I,在输出电极产生霍尔电势 UH。
此现象为霍尔效应 。
HHU K IB?
电子在磁场中受洛伦兹力作用（右手螺旋定则）
)( Bvef l
b
Id
UH
fE v
fl
电子向极板一方偏转，积累电子。一边积累电子，另一边积累正电荷,形成电场。
eEf E?电场力平衡。时，电荷积累达到动态当 lE ff?
其中 E为电场强度正负电极之间形成电势为霍尔电势。
IBKIB
d
R
n e d
IB
U
bdne
I
vn e vb dI
b v BU
b
U
E
vBEff
H
H
H
H
H
El
则由而由
HR可以推出霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率 μ的乘积 。 若要霍尔效应强,则 RH值大,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率 。
一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小 ; 而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低 。 故只有半导体材料适于制造霍尔片 。
(二 )霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成
a,b两根引线，称为控制电流端引线
c,d两根引线，称为霍尔输出引线霍尔元件符号基本电路
RW调节控制电流的大小。
RL为负载电阻，可以势放大器的内阻或指示器内阻。
霍尔效应建立的时间极短（ 10-12～ 10-14S）,I、
即可以是直流，也可以是交流。
二,霍尔元件的误差及其补偿产生误差的原因：一是制作工艺,制作水平的限制 。 二是外界温度的影响 。
（ 1） 不等位电势 U0及其补偿
B=0,I≠0,UH=U0 ≠0。 U0为不等位电势 。
产生原因,
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上 ;
② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 ;
③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等 。
两电极电不在同一等电位面上等电位面歪斜不等位电势补偿方法,可以采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法 。
2.寄生直流电势原因：
①由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，
②两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。
（ 二 ） 霍尔元件温度误差及补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数 。
当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度,迁移率,电阻率及霍尔系数都将发生变化,致使霍尔电动势变化,产生温度误差 。
不变。
的分流作用）并联电阻由
H
P
iiH
HH
U
R
IRTKT
IBKU
(
0;0
1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻补偿思想温度 时，元件灵敏度系数为,输入电阻为,温度为 t时，他们分别为,
0Hk
0iR
0t
Htk itR
00[ 1 ( ) ]H t Hk k t t
00[ 1 ( ) ]it iR R t t
PHI I I
因为
P P H HI R I R?
P
H
Pi
RII
RR
因此温度为 t时
00[ 1 ( ) ]
PP
Ht
P it P i
RRI I I
R R R R t t?
0
0
00
P
H
Pi
RII
RR
温度 时
0t
为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证
00H H H t H tk I B k I B?
将有关式代入可得
0PiRR
通常霍尔元件的灵敏度温度系数远小于元件的电阻温度系数，因此
0PiRR
2．合理选取负载电阻 的阻值
LR
00
00
[ 1 ( ) ]
[ 1 ( ) ]
LH
L
Lo
R U t tU
R R t t
使
0
0
()
LdU
d t t
得
0 1LoRR
3．采用恒压源和输入回路串联电阻
4．采用温度补偿元件 (如热敏电阻、电阻丝等 )
5．霍尔元件不等位电势 的温度补偿
0U
三,霍尔式传感器的应用
（一） 霍尔式位移传感器
HU kx?
① 霍尔元件处于中间位置位移 Δx=0时，由于 B=0，所以 UH=0
② 霍尔元件右移,Δx>0，
合成磁感应强度 B向左,B≠0,UH>0
③ 霍尔元件左移,Δx<0，合成磁感应强度 B向右,B≠0,UH<0。
(二 )霍尔式压力传感器第三节 磁栅式传感器磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁信号，利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅将占有一定的相对位置或相对位移，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。
一、磁栅
(一 )磁栅的结构
(二 )磁栅的类型磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。
长磁栅圆磁栅二、磁头磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头。
（一）动态磁头结构读出信号磁头与磁尺间有相对运动时才有信号输出。
(二 )静态磁头调制式磁头，又称磁通响应式磁头，磁头磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。
1．读出原理
0
2
T
R
RR
R?
TR
---气隙磁阻
---铁心磁阻励磁电压变化一个周期，铁心饱合两次，
变化两个周期。因此可近似认为 T
R
2 0 0 2( sin 2 )a a t
在磁栅不动的情况下 为一常量，输出绕组中产生感应电动势为,0
0 2 2 2 0 2( / ) 2 c o s 2e N d d t N a t
0 c o s 2kt
漏磁通 是磁栅位置的周期函数。磁栅与磁头相对移动一节距 W,就变化一个周期。因此 近似为：
0?
0? 0?
0
0
s i n ( 2 / )
s i n ( 2 / ) c o s 2
m
m
xW
e k x W t
结论,静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通产生感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅磁头相对位移成正弦 (或余弦 )关系。
2．静态磁头结构举例偶次谐波的消除三、信号处理方式
(一 )鉴幅方式两个磁头的输出：
1
2
s i n ( 2 / ) c o s 2
c o s ( 2 / ) c o s 2
m
m
e U x W t
e U x W t
经检波器去掉高频载波后可得
'
1
'
2
si n ( 2 / )
c o s( 2 / )
m
m
e U x W
e U x W
此两路相差 90度 的两相信号送有关电路进行细分辨向后输出
(二 )鉴相方式把某一磁头的励磁电流移相 45度，则两磁头的输出分别为
1
0
2
s i n ( 2 / ) c o s 2
c o s ( 2 / ) c o s 2 ( 4 5 )
m
m
e U x W t
e U x W t
将两路信号相减后得输出电压
0 sin ( 2 / 2 )mu U x W t
四、磁栅传感器的特点与误差分析
① 录制方便，成本低廉。
② 使用方便
③ 可方便录制任意节距的磁栅磁栅传感器的误差包括零位误差与细分误差两项空间磁场不影响磁栅传感器的正常工作。尽管如此，仍要注意对它的屏蔽。
1000 Hz）,所以得到普遍应用 。
定义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。 直接将机械能转换为电能，是有源传感器。
第一节 磁电感应式传感器一、类型及其工作原理电磁感应定律
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 的变化率，
即
deN
dt
S
当线圈的导体与磁场之间做相对切割磁力线运动时，在导体中产生感应电动势。由此可设计一类恒磁通式磁电传感器。用于测量振动及线速度。
N S
L
v e
Bvle?
（一）恒定磁通式动圈式 动铁式恒磁通式磁电传感器 由永久磁铁,线圈,弹簧,金属骨架等组成 。
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,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 （（ a）） 和动铁式 （ (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,从而产生感应电势为特点：
1、磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，
磁通不变。
2、磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。
线圈产生的感应电势为 0e B lN v
0e B lN v
式中,B——工作气隙磁感应强度 ;
——每匝线圈平均长度 ;
——线圈在工作气隙磁场中的匝数 ;
v——相对运动速度。
l
0N
（二）变磁通式又称为变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度 。
开磁路变磁通式开磁路变磁通式,线圈,磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。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齿数的乘积。
/ 6 0f Z n
当齿轮的齿数 Z确定以后，若能测出 f就可求出转速 n(n＝ 60f／ z)。
这种传感器结构简单，但输出信号小，转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往往采用闭磁路。
闭磁路变磁通式变磁通式传感器对环境条件要求不高闭磁路变磁通式,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生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。
二、设计要点
1.工作气隙
2．永久磁铁使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上。
1
4d
d
l
3．线圈组件在高精度传感器中，线圈磁场效应不能忽略，采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。
三,磁电感应式传感器的应用
1,动圈式振动速度传感器工作原理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。该传感器测量的是振动速度参数。
（二）磁电感应式转速传感器
（三）磁电式扭矩传感器扭矩的电测技术主要是通过传感器把扭矩这个机械量转换成相位、然后用相位计来测量相位，从而达到测量扭矩的目的。
系统为开磁路变磁通系统。要求齿形圆盘制作完全一致。
（ 1）当扭距为 0时，两个磁电传感器输出的感应电压 u1和 u2完全一致，（同频、同相、同幅）相位差为 0。
（ 2）当有扭矩作用在扭转轴上时,两个磁电传感器输出的感应电压 u1和 u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。 这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。
第二节 霍尔式传感器一,工作原理
1,霍尔效应将半导体薄片置于磁场 B中,在薄片控制电极通以电流 I,在输出电极产生霍尔电势 UH。
此现象为霍尔效应 。
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电子在磁场中受洛伦兹力作用（右手螺旋定则）
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电子向极板一方偏转，积累电子。一边积累电子，另一边积累正电荷,形成电场。
eEf E?电场力平衡。时，电荷积累达到动态当 lE ff?
其中 E为电场强度正负电极之间形成电势为霍尔电势。
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则由而由
HR可以推出霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率 μ的乘积 。 若要霍尔效应强,则 RH值大,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率 。
一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小 ; 而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低 。 故只有半导体材料适于制造霍尔片 。
(二 )霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成
a,b两根引线，称为控制电流端引线
c,d两根引线，称为霍尔输出引线霍尔元件符号基本电路
RW调节控制电流的大小。
RL为负载电阻，可以势放大器的内阻或指示器内阻。
霍尔效应建立的时间极短（ 10-12～ 10-14S）,I、
即可以是直流，也可以是交流。
二,霍尔元件的误差及其补偿产生误差的原因：一是制作工艺,制作水平的限制 。 二是外界温度的影响 。
（ 1） 不等位电势 U0及其补偿
B=0,I≠0,UH=U0 ≠0。 U0为不等位电势 。
产生原因,
① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上 ;
② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 ;
③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等 。
两电极电不在同一等电位面上等电位面歪斜不等位电势补偿方法,可以采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法 。
2.寄生直流电势原因：
①由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，
②两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。
（ 二 ） 霍尔元件温度误差及补偿霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数 。
当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度,迁移率,电阻率及霍尔系数都将发生变化,致使霍尔电动势变化,产生温度误差 。
不变。
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1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻补偿思想温度 时，元件灵敏度系数为,输入电阻为,温度为 t时，他们分别为,
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为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证
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通常霍尔元件的灵敏度温度系数远小于元件的电阻温度系数，因此
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2．合理选取负载电阻 的阻值
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使
0
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得
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3．采用恒压源和输入回路串联电阻
4．采用温度补偿元件 (如热敏电阻、电阻丝等 )
5．霍尔元件不等位电势 的温度补偿
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三,霍尔式传感器的应用
（一） 霍尔式位移传感器
HU kx?
① 霍尔元件处于中间位置位移 Δx=0时，由于 B=0，所以 UH=0
② 霍尔元件右移,Δx>0，
合成磁感应强度 B向左,B≠0,UH>0
③ 霍尔元件左移,Δx<0，合成磁感应强度 B向右,B≠0,UH<0。
(二 )霍尔式压力传感器第三节 磁栅式传感器磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁信号，利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅将占有一定的相对位置或相对位移，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。
一、磁栅
(一 )磁栅的结构
(二 )磁栅的类型磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。
长磁栅圆磁栅二、磁头磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头。
（一）动态磁头结构读出信号磁头与磁尺间有相对运动时才有信号输出。
(二 )静态磁头调制式磁头，又称磁通响应式磁头，磁头磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。
1．读出原理
0
2
T
R
RR
R?
TR
---气隙磁阻
---铁心磁阻励磁电压变化一个周期，铁心饱合两次，
变化两个周期。因此可近似认为 T
R
2 0 0 2( sin 2 )a a t
在磁栅不动的情况下 为一常量，输出绕组中产生感应电动势为,0
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漏磁通 是磁栅位置的周期函数。磁栅与磁头相对移动一节距 W,就变化一个周期。因此 近似为：
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结论,静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通产生感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅磁头相对位移成正弦 (或余弦 )关系。
2．静态磁头结构举例偶次谐波的消除三、信号处理方式
(一 )鉴幅方式两个磁头的输出：
1
2
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经检波器去掉高频载波后可得
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此两路相差 90度 的两相信号送有关电路进行细分辨向后输出
(二 )鉴相方式把某一磁头的励磁电流移相 45度，则两磁头的输出分别为
1
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将两路信号相减后得输出电压
0 sin ( 2 / 2 )mu U x W t
四、磁栅传感器的特点与误差分析
① 录制方便，成本低廉。
② 使用方便
③ 可方便录制任意节距的磁栅磁栅传感器的误差包括零位误差与细分误差两项空间磁场不影响磁栅传感器的正常工作。尽管如此，仍要注意对它的屏蔽。
