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1、第六章 磁电式传感器通过磁电作用将被测量（振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。分类磁电感应式传感器：导体和磁场间相对运动霍尔式传感器：半导体在磁场中的电磁效应（霍尔效应）而输出电动势磁电感应式传感器又称磁电式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器,是利用是利用电磁感应原理电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。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转换成易于测量的电信号,是是有源传感器有源传感器。由。由于它于它输出功率大输出功率大且性能稳
2、定且性能稳定,具有一定的工作具有一定的工作带宽（带宽（101000 Hz）,所以得到普遍应用。所以得到普遍应用。工作原理和结构类型W线圈匝数；线圈匝数；根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势线圈包含的磁通量线圈包含的磁通量若线圈相对磁场运动为速度若线圈相对磁场运动为速度v或者角速度或者角速度w时，时，e=-WBlv或者或者e=-WBSw，式中式中l每匝线圈的平均长度每匝线圈的平均长度B线圈所在磁场的磁感应强度线圈所在磁场的磁感应强度S每匝线圈的平均截面积每匝线圈的平均截面积 图为开磁路开磁路变磁磁 通式：通式：线圈、磁圈、磁铁静止静止 不不动，测量量齿轮安
3、装在被安装在被 测旋旋转体上，随之一起体上，随之一起转 动。每。每转动一个一个齿，齿的的 凹凸引起磁路磁阻凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就化一次，磁通也就变化一化一次，次，线圈中圈中产生感生感应电势，其，其变化化频率等于被率等于被测转速与速与测量量齿轮齿数的乘数的乘积。这种种传感器感器结构构简单，但，但输出信号出信号较小，且因高速小，且因高速轴上加装上加装齿轮较危危险而不宜而不宜测量高量高转速。速。图（b）为闭磁路磁路变磁磁 通式，它由装在通式，它由装在转轴上的上的 内内齿轮和外和外齿轮、永久磁、永久磁 铁和感和感应线圈圈组成，内外成，内外 齿轮齿数相同。当数相同。当转轴连 图（b）接到被接
4、到被测转轴上上时，外，外齿轮不不动，内，内齿轮随被随被测轴而而转动，内、外，内、外齿轮的相的相对转动使气隙磁阻使气隙磁阻产生周生周期性期性变化，从而引起磁路中磁通的化，从而引起磁路中磁通的变化，使化，使线圈内圈内产生周期性生周期性变化的感生化的感生电动势。感。感应电势的的频率与被率与被测转速成正比。速成正比。图图 恒磁通式磁电传感器结构原理图恒磁通式磁电传感器结构原理图动态特性分析磁电感应式传感器的幅频特性重要结论当振动体的振动频率低于传感器的固有频率时，传感当振动体的振动频率低于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度随频率而明显变化。器的灵敏度随频率而明显变化。当振动体的频率远高于传感器的固有频
5、率时，灵敏度当振动体的频率远高于传感器的固有频率时，灵敏度接近于一常数，基本上不随频率变化。该频段为传感接近于一常数，基本上不随频率变化。该频段为传感器的器的工作频段工作频段，或称为传感器的频响范围。，或称为传感器的频响范围。当频率更高时，由于线圈的阻抗增加，灵敏度也将随当频率更高时，由于线圈的阻抗增加，灵敏度也将随着频率的增加而增加。着频率的增加而增加。磁电式传感器的测量电路磁感应磁感应传感器传感器测量放大器测量放大器将被测的运动将被测的运动体的速度转换体的速度转换成电信号成电信号将被对信号进行将被对信号进行放大，并具有阻放大，并具有阻抗变换作用。抗变换作用。微分放大器微分放大器积分放大器积
6、分放大器电压放大器电压放大器加速度加速度位移位移速度挡速度挡霍尔式传感器霍霍尔效效应：置于磁：置于磁场中的中的导体（或半体（或半导体），当有体），当有电流流流流过时，在垂直于，在垂直于电流和磁流和磁场的方向会的方向会产生生电动势（霍（霍尔电势），原因是），原因是电荷受到洛荷受到洛伦兹力力的作用。的作用。fLfEvEHdIbBn定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当电场的作用，当f fl l=f=fE E时，达到平衡，此时时，达到平衡，此时霍尔系数，材料确定后为常数霍尔系数，材料确定后为常数灵敏度系数灵敏度系数对于导体，霍尔系数一般较小
7、，故霍耳元件一般用半导体制作，对于导体，霍尔系数一般较小，故霍耳元件一般用半导体制作，且愈小（薄），灵敏度愈高且愈小（薄），灵敏度愈高 物理现象观察霍尔效应霍尔式传感器的特点转换率低受温度影响比较大结构简单，体积小，坚固频响范围宽易微型化和集成化霍尔元件的构造及测量电路红色引线：电流端引线绿色引线：霍尔输出端引线测量电路霍尔元件的主要参数（1）额定激励电流（2）灵敏度（3）输入电阻 和输出电阻（4）不等位电动势 和不等位电阻（5）寄生直流电势（6）热阻不等位电势（零位电势）产生原因霍尔电极安装不正确半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不均匀控制电极接触不良造成的电流不均匀分布霍尔元件的
8、补偿电路不等位电势的补偿电路采用分流电阻法的温度补偿电路桥路补偿法的温度补偿电路霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式传感器的应用霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形四、霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即 EH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。1、霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速
9、。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔另一种转速测量安装方法磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的
10、脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。5、霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使普通直流电动机使用的电刷和换向器用的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车可充电电池组可充电电池组无刷电动机无刷电动机 无刷直流电动机的无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆料；三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。光驱用的无刷电动机内部结构霍尔传感器的应用