《传感器技术》教学课件第5章

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。当被测轴振动较 大时，传感器输出波形失真较大。
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（b）闭磁路变磁通式磁电传感器
图5-2所示为闭磁路变磁通式转速传感器，它由装在转轴3 上的内齿轮4和外齿轮5、永久磁铁1和感应线圈2组成，内、外 齿轮的齿数相同。
《传感器技术》 教学课件
第5章 磁电式传感器
5.1 磁电感应式传感器 5.2 霍尔式传感器 5.3 磁敏传感器
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5.1 磁电感应式传感器
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，是一种有源传感器。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。
中的一个重要原则。
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（3） 非线性误差
磁电式传感器在工作时，线圈内的感生电流产生的交 变磁通量叠加到永久磁铁磁通上，而引入非线性误差。传 感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。
为补偿非线性误差，可在传感器中加入补偿线圈，如 图5-3（a）所示。补偿线圈通以经放大后的电流。适当选 择补偿线圈参数，可使其产生的交变磁通与传感线圈本身 所产生的交变磁通互相抵消，从而达到补偿的目的。
图5-6 磁电式传感器测量电路框图
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5.1.4 应用实例
1. 动圈式振动速度传感器
图5-7是动圈式振动速度传感器结构示意图。其结构主要由 钢制圆形外壳2制成，里面用铝支架4将圆柱形永久磁铁5与外壳 2固定成一体，永久磁铁5中间有一小孔，穿过小孔的芯轴1两端 架起线圈6和阻尼环7，芯轴1两端通过圆形弹簧片3支撑架空且 与外壳2相连。工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振 动时，传感器外壳2和永久磁铁5随之振动，而架空的芯轴1、线 圈6和阻尼环7因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线 圈6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， 若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若 在测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。
Uo
IoRf
B0lW R f
R Rf
（5-5）
SU
Uo
B0lWRf R Rf
（5-6）
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当传感器的工作温度发生变化，或受到外界磁场干扰、受到
机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差。
相对误差的表达式为
dB dl dR
Bl R
（5-7）
（1） 温度误差
当温度变化时，式（5-7）中右边三项都不为零。一般情况
(5-1) 4
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φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt 有如下关系：
e W d = WBlv
(5-2)
dt
根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁 通式和恒磁通式。
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1、变磁通式磁电传感器
变磁通式磁电传感器又称为磁阻式磁电传感器。
此时，每个电子受洛伦兹力fL的作用，fL的大小为
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f L eBv
式中：e——电子电荷； v——电子运动平均速度； B——磁场的磁感应强度。
（5-12）
霍尔效应是在1879年由Edwin H. Hall发现的，当时 他是John Hopkins大学的研究生。
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图5-10 霍尔效应原理图 30
下，温度每变化1 ℃，铜线的长度和电阻变化为 dl / l 0.167104, dR / R 0.43102 ,而dB/B 的变化取决于磁性材料，对于铝镍钴永
磁合金，dB / B 0.02102 ，这样由式（5-7）可得由温度引
起的误差为： t (0.45%) /℃
பைடு நூலகம்15
这一数值显然不能忽略，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。它搭在传感器的两个极靴 上，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，起到温度补 偿作用。
（5-11）
式中，ω为被测振动的角频率；ωn为传感器运动系统的固有角频 率；n K / m ，其中 K 为弹簧刚度；ζ 为传感器运动系统的阻
尼比， c / 2 mK ，其中c为阻尼系数。 19
图5-4为磁电式速度传感器的幅频响应特性曲线，其相频特性 与一般二阶传感器的相频特性（见图1-10）相同。
磁电式传感器有磁电感应式传感器、霍尔式传感器和磁栅式传 感器，以及各类磁敏传感器等。
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5.1.1 磁电感应式传感器工作原理
根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁 场方向运动时，导体内产生的感应电势 e 为 ：
e d Bl dx Blv
dt
dt
式中: B——稳恒均匀磁场的磁感应强度； l——导体有效长度； v——导体相对磁场的运动速度； Ф——穿过线圈的磁通。
fL的方向在图5-10中是向内的，此时电子除了沿电流反方 向作定向运动外，还在fL的作用下漂移，结果使金属导电板内 侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电
场EH，称霍尔电场，该电场强度为
EH
UH b
式中，UH为霍尔电势。
（5-13）
霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力fE作用 外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为
图5-2 闭磁路变磁通式转速传感器
1－永久磁铁 2－感应线圈 3－转轴 4－内齿轮 5－外齿轮
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当转轴3连接到被测转轴上时，外齿轮5不动，内齿轮4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，感应电势的频率与被测转速成正比。
5.2 霍尔式传感器
5.2.1 霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向
不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间 产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。如图59所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以 电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电 场作用下做定向运动。
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图5-3 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式
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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
图5-5 磁电式振动传感器的输出特性 21
5.1.3 测量电路 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5-6为一般测量电路框图，其中 SW 为联动开关，进行 量程选择和处理电路的选择
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图5-7 磁电式振动传感器的结构原理图 1-芯轴 2-外壳 3-弹簧片 4-铝支架 5-永久磁铁 6-线圈 7-阻尼环 8-引线 24
2. 磁电式扭矩传感器 图5-8是磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载 之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。它们旁边装有相应的两 个磁电传感器。磁电传感器的结构见图5-8所示。传感器的检测 元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的 磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起 磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交 流电压， 其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。
阻抗增大，传感器的灵敏度会随频率增加而下降。
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2. 灵敏度 磁电式传感器的灵敏度S=NBl ，可看作常数。因此在理想情
况下，传感器的输出电势正比于振动速度（见图5-5中虚线）。 但是，传感器的实际输出特性并非完全线性，而是一条偏离理想 直线的曲线（见图5-5中实线）。
也就是说，传感器的输 出特性在振动速度很小和很 大的情况下是非线性，但在 实际的工作范围内其线性度 还是比较好的。
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图5-8 磁电式扭矩传感器工作原理图 26
图5-9 磁电式传感器结构图 1-齿型圆盘 2-线圈 3-永久磁铁 4-铁芯 当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。 27
变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150 ℃～90 ℃ 的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条 件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50 Hz，上限可达 100 kHz。
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2、恒定磁通式磁电传感器
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），恒磁通式磁电传感器也分为 两种：动圈式恒磁通磁电传感器和动铁式恒磁通 磁 电 传 感 器 。 动 圈 式 （ 图 5-2 （ a ） ） 和 动 铁 式 （图5-2(b)）的工作原理是完全相同的。
（a）开磁路磁阻式磁电传感器 图5-1是开磁路磁阻式磁电传感器，用来测量旋转物体
的角速度。
1－被测旋转体 3－测量齿轮 2－感应线圈 4－软铁 5－永久磁铁
图5-1 开磁路变磁通式转速传感器
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图5-1所示为开磁路变磁通式转速传感器，其中感应线圈3 和永久磁铁5静止不动，测量齿轮2安装在被测旋转体1上，随 其一起转动。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3中产生感应电势，其变化频率等于 被测转速与测量齿轮2上齿数的乘积。
从磁电式速度传感器的
频率特性可以看到，只有在
n 的情况下，AV () 1 ， 相对速度v(t)的大小才可以作
为被测振动速度v0(t)的量度。
图5-4 磁电式速度传感器的频率特性
当 (7 ~ 8)n时，不但可以准确测量幅值，而且相位差接近
180°，传感器成为一个反相器。但在工作频率更高时，因线圈
e B0lWv
(5-3)
式中：B0——工作气隙磁感应强度；
l——每匝线圈平均长度；
W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；
v——相对运动速度。
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设计要点：
1.工作气隙 d 1 ld 4
2．永久磁铁 使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上。
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。
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5.1.2 基本特性 1. 误差特性
磁电式传感器在使用时，其后要接入测量电路。设测量电路
的输入电阻为Rf ，传感器的内阻为R ，则磁电式传感器的输出电
流Io 为
Io
R
E Rf
B0lW
R Rf
（5-3）
传感器的电流灵敏度为
SI
Io
B0lW R Rf
（5-4）
而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
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（2） 永久磁铁的不稳定误差
由式（5-6）可知，若 R f R ，电压灵敏度 SU 为
于是有
SU B0lW
dB dl
Bl
（5-8） （5-9）
此时永久磁铁的不稳定性将成为误差的决定性因素。
另外，当永久磁铁工作在最大磁能积 (BH )m 时，它的体积最小。 因此，使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上是其磁路设计
f E eEH
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fE阻止电荷继续在两个侧面积累。随着内、外侧面积累电 荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当 电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即
eEH=eBv
（5-14）
时，则
EH=vB
（5-15）
此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。
若金属导电板单位体积内电子数（即电子浓度）为 n，电子
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5.1.2 输出特性
1. 动态特性 磁电式传感器是一个典型的二阶系统，可以用一个由集中
质量m、集中弹簧K和集中阻尼c组成的二阶系统来表示。其幅频
特性与相频特性分别为
AV ()
( / n )2 [1 ( / n )2 ]2 [2 ( / n)]2
（5-10）
V
(
)
arctan
2 ( 1 (
/ n ) / n )2