磁電傳感器的應用：《磁電式傳感器應用》PPT課件.ppt

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1、傳感器原理及應用,主講人：康朝海,主要內容： 4.1 磁電感應式傳感器 4.2 霍爾式傳感器 4.3 磁敏傳感器,傳感器基礎,第4章磁電式傳感器,概述,磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將運動速度、位移等物理量轉換成線圈中的感應電動勢輸出。工作時不需要外加電源，可直接將被測物體的機械能轉換為電量輸出。是典型的有源傳感器。 特點：輸出功率大，穩定可靠，可簡化二次儀表，但頻率響應低。通常在HZ適合作機械振動測量、轉速測量。傳感器尺寸大、重。,概述,霍爾傳感器屬于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁電轉換原理，磁敏傳感器是把磁學物理量轉換成電信號。 隨著半導體技術的發展，磁敏元件得到應用和發展，廣泛

2、用于自動控制、信息傳遞、電磁場、生物醫學等方面的電磁、壓力、加速度、振動測量。 特點：結構簡單、體積小、動態特性好、壽命長。,霍爾傳感器測轉速,磁電傳感器,概述,4.1 磁電感應式傳感器（電動式）,根據電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線，線圈內產生感應電動勢e。e的大小與穿過線圈的磁通變化率有關。,4.1.1 工作原理,4.1.1 工作原理,根據以上原理有兩種磁電感應式傳感器： 恒磁通式：磁路系統恒定磁場運動部件 可以是線圈也可以是磁鐵。 變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 轉動物體引起磁阻、磁通變化。,恒磁通式,4.1.2 基本特性,電壓靈敏度：,由 可得； 傳感器靈敏度： (常數),

3、電流靈敏度:,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,電磁式傳感器通常用來做機械振動測量。 振動傳感器結構大體分兩種： 動鋼型（線圈與殼體固定） 動圈型（永久磁鐵與殼固定） 磁鐵與線圈之間相對運動運動速度接近振動速度， 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線， 產生于正比振動速度的感應電動勢 。,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,磁電式振動傳感器的特性： 磁電式振動傳感器是慣性式傳感器，不需要 靜止的基準參考，可直接裝在被測體上。 傳感器是發電型傳感器，工作時可不加電壓， 直接將機械能轉化為電能輸出。 速度傳感器的輸出電壓正比于速度信號 ， 便于直接放大。 輸出阻抗低，

4、對后置電路要求低，干擾小。,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,信號輸出送測量電路 接入積分電路測量位移； 接入微分電路測量加速度。,4.1.3 磁電感應式傳感器的應用,積分電路輸出,微分電路輸出,4.2 霍爾式傳感器,實際應用中磁敏元件主要用于檢測磁場，而與人們相關的磁場范圍很寬，一般的磁敏傳感器檢測的最低磁場只能到 高斯。,磁場強度與磁場源的分布,4.2 霍爾式傳感器,測磁的方法： 利用電磁感應作用的傳感器（強磁場）如： 磁頭、機電設備、測轉速、磁性標定、差動變壓器； 利用磁敏電阻、磁敏二極管、霍爾元件； 利用磁作用傳

5、感器，磁針、表頭、繼電器； 利用超導效應傳感器，SQVID約瑟夫元件； 利用核磁共振的傳感器，有光激型、質子型。 隨著半導體技術的發展，磁敏傳感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向發展。,4.2.1 霍爾效應,霍爾傳感器就是基于霍爾效應，把一個導體（半導體薄片）兩端通以控制電流I，在薄片垂直方向施加磁感強度B的磁場，在薄片的另外兩側會產生一個與控制電流I和磁場強度B的乘積成比例的電動勢 。,通電的導體（半導體） 放在磁場中，電流I與磁 場B方向垂直，在導體另 外兩側會產生感應電動 勢，這種現象稱霍爾效 應。,4.2.1 霍爾效應,在磁場中導體自由電子在磁場的作用下做定向運動。 每個電子受洛侖茲力

6、作用被推向導體的另一側：,霍爾電場,霍爾電場作用于電子的力,4.2.1 霍爾效應,當兩作用力相等時電荷不再向兩邊積累， 達到動態平衡：,通過（半）導體薄片的電流I與載流子濃度n， 電子運動速度v，薄片橫截面積 b*d 有關：,霍爾電勢：,4.2.1 霍爾效應,代入后： 霍爾常數 與材料有關 霍爾靈敏度 與薄片尺寸有關,4.2.1 霍爾效應,討論： 任何材料在一定條件下都能產生霍爾電勢，但不 是都可以制造霍爾元件。 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度很高，RH很小，UH很小。 半導體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以 霍爾元件多采用N型半導體（多電子）。 由上式可見

7、，厚度d越小，霍爾靈敏度 KH 越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。,4.2.2 霍爾傳感器基本電路,霍爾晶體外形矩形薄片有四根 引線，兩端加激勵兩端為輸出； 電源E，控制電流I； 負載RL，R可調保證控制電流， B磁場與元件面垂直（向里）。 實測中可把I*B作輸入， 也可把I或B單獨做輸入。 通過霍爾電勢輸出測量結果。 輸出Uo與I或B成正比關系。,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補償 (1)不等位電勢,當霍爾元件通以激勵電流I時，若磁場B=0，理論上霍爾電勢UH=0,但實際UH不等于0，這時測得的空載電勢稱不等位電勢U0。產生的原因：,霍爾引出電極安裝不對稱,半導體材料不均勻,不等

8、位電勢的補償,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補償 (1)不等位電勢,4.2.3 霍爾傳感器的誤差及補償 (2)溫度誤差及補償,霍爾元件是半導體元件，它的許多參數與溫度有關。當溫度T變化時，載流子濃度n、遷移率、電阻率，霍爾系數RH 都會變化。以下是幾種補償方法： 恒流源補償： 由 UH=KHIB 可見恒流源供電可使UH穩定但靈敏度系數 KH=RH/d=/d也是溫度的函數：,具體補償方法: 在霍爾元件上并聯一Rp分流， 當T增大時Ri增大UH 增大 IH 減小Ip增大UH 下降， Rp 自動加強分流，使Ip 增大 IH 下降UH下降,補償電阻 Rp可選擇負溫度系數.,4.2.3 霍爾傳感

9、器的誤差及補償 (2)溫度誤差及補償,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍爾元件符號,4.2.4 霍爾傳感器的應用,(1)位移測量 (2)測轉速 (3)計數裝置(導磁產品),檢缺口、檢齒,磁 場 測 量,轉 速 測 量,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍爾傳感器位移測量原理,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍爾壓力傳感器結構原理,4.2.4 霍爾傳感器的應用,霍 爾 元 件 和 磁 體 運 動 方 式,4.2.4 霍爾傳感器的應用,4.2.5 霍爾集成傳感器,1 集成霍爾元件,4.2.5 霍爾集成傳感器,線性集成電路(測位移、測振動),4.2.5 霍爾集成傳感器,開關集成器件(測轉速、開關控制、判斷N

10、 S極性) B、B形成切換回差,這是位置式作用傳感器的特點, 作無觸點開關時可防止干擾引起的誤動作 。,形成切換回差,4.2.5 霍爾集成傳感器,霍爾開關元件性能演示動畫,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應用 ：無觸點開關,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應用 ：天然氣點火電路,4.2.5 霍爾集成傳感器,2 應用 ：接口電路,4.3 磁敏傳感器,磁敏元件也是基于磁電轉換原理,60年代西門子公司研制了第一個磁敏元件,68年索尼公司研制成磁敏二極管,目前磁敏元件應用廣泛。,磁 敏 元 件,磁敏傳感器主要有： 磁敏電阻； 磁敏二極管； 磁敏三極管； 霍爾式磁敏傳感器。,4.3.1 磁敏電阻器,磁阻

11、效應：載流導體置于磁場中,除了產生霍爾效應外,導體中載流子因受洛侖茲力作用要發生偏轉,載流子運動方向偏轉使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場越強增大電阻的作用越強。 外加磁場使導體(半導體)電阻隨磁場增加而增大 的現象稱磁阻效應。,磁阻效應表達式：,4.3.1 磁敏電阻器,由于霍爾電場作用會抵消洛倫茲力,磁阻效應被大大減弱,但仍然存在。磁阻元件的電阻與形狀有關：,長方形樣品 扁條狀長形 圓盤樣品,4.3.1 磁敏電阻器,長方形樣品：霍爾電場作用FH,電阻變化很小。 扁條狀長形：霍爾電勢EH很小,電流磁場作用偏轉 厲害，效應明顯。 圓盤樣品：外加磁場時，電流以螺旋形路徑指向外電 極，路徑增

12、大電阻增加。在圓盤中任何地 方都不會積累電荷也不會產生霍爾電場。 為了消除霍爾電場影響獲得大的磁阻效應, 一般將磁敏電阻制成圓形或長方形。,4.3.1 磁敏電阻器,磁敏電阻與霍爾元件屬同一類,都是磁電轉換元件,本質不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力,只有與輔助材料(磁鐵)并用才具有識別磁極的能力.,磁敏電阻的輸出特性,4.3.1 磁敏電阻器,無偏置磁場時,檢測磁場不能判別磁性； 外加偏置磁場時，相當在檢測磁場外加了偏置磁場，工作點移到線性區，磁極性也作為電阻值變化表現出來。,4.3.1 磁敏電阻器,磁圖形識別傳感器BS05A1HFAA,檢測電路，工作電壓5V，輸出0.30.8v，被測物體3mm，

13、可測磁性齒輪，磁性墨水，磁性條形碼，磁帶，識別有機磁性（自動售貨機）。,磁敏電阻的應用,4.3.2 磁敏晶體管 （1）磁敏二極管（鍺管2ACM,硅管2DCM）,特點：長“基區”PiN型二極管，PI為摻雜區， 本征區I長度較長，構成高阻半導體； 工作過程： 磁敏二極管在長“基區”的一側面設置了復合區r， r面是個粗糙面截流子復合速度非常高，r區對面 是復合率很小的光滑面。,4.3.1 磁敏晶體管 （2）磁敏三極管,以鍺管NPN型為例： 磁敏三極管也是以長基區為特征，有兩個PN結，發射極與基極之間的PN 結由長基區二極管構成，有一個高復合區，集電極電流大小與磁場有關。,傳感器基礎,第4章磁電式傳感器,本章要點： 磁電感應式傳感器（電動式） 工作原理、 基本特性和應用； 霍爾式傳感器原理、霍爾傳感器的應用、 霍爾集成傳感器； 磁敏傳感器，磁敏電阻器、磁敏二極管、 磁敏三極管。,

磁電傳感器的應用：磁性傳感器的應用都有哪些？

　　磁性材料
　　我國傳感器產品僅有10大類、42小類、6000多個品種，品種繁多的磁性傳感器只是其中一大類，它具有非接觸測量、高可靠、堅固耐用、測量靈敏度高等基本特點。眾所周知，磁場能夠穿透許多非金屬物質材料，因此無須直接接觸目標物體就可觸發交換過程。通過使用磁性導體（比如鐵），磁場即可被傳導到較遠的距離，于是，信號就能從溫度較高的區域傳送出去。因此，人們把磁場、電流、應力應變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件叫做磁性傳感器。
　　一、工業上用途廣泛
　　在工業應用領域，最流行的磁性傳感器類型是電流傳感器，包括分流電阻器、霍爾效應集成電路、電流感應變壓器、開環與閉環霍爾器件以及磁通門傳感器。
　　1、電機
　　在無刷電動機中，用磁性傳感器來作轉子磁極位置傳感和定子電樞電流換向器，許多磁性傳感器，霍爾器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但當前大量使用的，主要還是霍爾器件。另外磁性傳感器還可以對電機進行過載保護及轉矩檢測；交流變頻器用于電機調速，節能效果極好。由于磁編碼器的使用顯示出越來越多的優點，因此正在逐漸取代光編碼器來對電機的轉速進行檢測和控制；例如，在電動車窗之中，傳感器可以確定軸轉動了多少圈，以控制車窗升降器的行程。傳感器也可以探測到人手造成的異常負載情況，提供所謂的“防夾”功能，在碰到物體的時候，電機可以反轉。用于直流電機換向和探測電流的電動助力轉向傳感器也是一個快速增長的應用，用于代替電動液壓型系統。
　　2、電力電子技術
　　電力電子表技術是電力技術和電子技術的結合，可實現交直流電流的相互變換，并可在所需的范圍內實現電流、電壓和頻率的自由調節。采用這些技術和產品，可做成各種特殊電源（如UPS、高頻電源、開關電源、弧焊機逆變電源等）和交流變頻器等產品。這些變頻裝置的核心，是大功率半導體器件。以磁性傳感器為基礎的各種電流傳感器被用來監測控制和保護這些大功率器件?；魻栯娏鱾鞲衅黜憫俣瓤?，且依靠磁場和被控電路耦合，不接入主電路，因而功耗低，抗過載能力強，線性好，可靠性高，既可作為大功率器件的過流保護驅動器，又可作為反饋器件，成為自控環路的一個控制環節。使用變頻技術可以大量節能，目前國外使用的電能95%是經過變換來的，國內變頻技術雖已受到高度重視，但僅有5%的電能經過這種變換，可見具其后續改造空間之大，將需求大量的電流傳感器，這將是磁性傳感器的又一巨大的產業性應用領域。
　　3、能源管理
　　電網的自動檢測系統需采集大量的數據，經計算機處理之后，對電網的運行狀況實施監控，并進行負載的分配調節和安全保護。自動監控系統的各個控制環節，都可用以磁性傳感器為基礎的電流傳感器、互感器等來實現?；魻栯娏鱾鞲衅髟缫言陔娋W系統中得到應用。用霍爾器件作成的電度表也已從研制轉向實用化，它們可自動計費并可顯示功率因數，以便隨時進行調整，保證高效用電。
　　4、磁信息記錄裝置
　　磁信息記錄裝置除磁帶、磁盤等之外，還有磁卡、磁墨水記錄帳冊、鈔票的磁記錄等，對磁信息存儲和讀出傳感器有巨大需求。目前，感應磁頭，薄膜磁阻磁頭，非晶磁頭等都獲得了大量的使用。隨著記錄密度的提高，例如高到100G字節，需要更高靈敏度和空間分辨力的磁頭。以多層金屬薄膜為基礎的巨磁阻磁頭、用非晶合金絲制作的非晶合金磁頭、巨磁阻抗磁頭等正展開激烈的競爭。
　　5、交通控制
　　目前，國內外都在加強行車支持道路系統（AHS）、智能運輸系統（］．TS）和道路交通信息系統（VICS）等的開發與建設。在這些新系統中，高靈敏度、高速響應微型磁傳感器大有用武之地。例如，用分辨率可達InT的GMI和SI傳感器，可構成ITS感器（作高速路上的道路標志，測車輪角度，貨車近接距離），汽車通過記錄儀（測通行方向、速度、車身長度、車種識別）、停車場成批車輛傳感器、加速度傳感器（測車輛通過時路橋的振動等）等。在智能交通系統，如果你在公路上放置一個磁性傳感器，任何一輛車在公路上開的時候，車走過的軌跡就能記錄下來，從而可以控制高速公路的車流。
　　去年動車出事以后，國家交通部為防止類似事故的發生，設計了許多方案，其中一個很簡單方案，就是在動車沿線每隔兩公里鋪一個磁性傳感器，這是一個單獨系統，所以當動車沒電的時候信號就可以自動傳到調度中心。
　　美國的NVE公司已經把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統上。例如，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區別通過傳感器的車輛，如果同時分開放置兩個GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當然GMR也可用在公路的收費亭，從而實現收費的自動控制。
　　二、在汽車中的應用無處不在
　　磁性傳感器在汽車工業中的應用尤其普遍，例如包括汽車安全、汽車舒適性、汽車節能降耗等。單是在汽車車身應用領域，一輛車使用的磁性傳感器與開關平均數量，就將從2008年的6.7顆，成長至2013年的9.4顆。據介紹，汽車領域占據了磁傳感應用市場大約70Y0以上的份額。它在汽車中主要被用于車速、傾角、角度、距離、接近、位置等參數檢測以及導航、定位等方面的應用，比如車速測量、踏板位置、變速箱位置、電機旋轉、助力扭矩測量、曲軸位置、傾角測量、電子導航、防抱死檢測、泊車定位、安全氣囊與太陽能板中的缺陷檢測、座椅位置記憶、改善導航系統的航向分辨率。在節能降耗中，尤其是在制造商目前面臨減少點滴碳排放或其它污染物壓力的時候，這方面的一個重點領域是馬達，馬達正在從存在摩擦力的“一刻不?！钡幕喯到y向電子馬達轉變，后者可以按需控制。與此同時，電子馬達向效率更高和更加可靠的有刷DC馬達轉變，而磁性傳感器的應用能夠讓馬達控制或換向更加精確。此外，汽車防抱死剎車系統（ABS）中的基本輪轉速感測、轉向系統中的扭矩感測、電子線控節氣門系統和電池監測、智能電扇等都有著磁性傳感器的身影。在混合動力電動汽車中，磁性傳感器用于監控輔助電機逆變器。逆變器用于把電池直流電轉換成電機的交流電。這種轉換需要使用三個電流傳感器，電機的每個相位都需要一個。高級汽車需要使用霍爾IC和AMR傳感器。中低檔轎車中有10多種電機，如風扇冷卻、交流發電機以及風擋雨刷；豪華轎車擁有將近100個電機，其中包括用于空調送風機、電子轉向與油門控制的傳感器，用于自動化與新型雙離合系統的傳動傳感器，以及用于座位位置調整、天窗、轉速表、前燈位置調整、靠枕的傳感器，甚至用于根據空氣質量信息來控制進氣風門。
　　三、在醫療領域應用中發揮關鍵作用
　　隨著人口老齡化趨勢的日漸明顯，用以輔助健康和監護的醫療技術變得愈發重要。醫療
　　傳感器的應用和推廣大大降低了人工成本和錯誤的產生，同時也提高了自動化程度和精確度，
　　這一切使得持續的監控和治療成為可能。磁性傳感器在醫療領域中的應用，盡管規模要小于
　　工業領域，但卻能夠在各種場合以各種方式輔助病人護理和監控：救護車，醫院和家庭護理
　　等。無論是在手術過程中，重癥監護室，醫院復健護理，還是在家庭護理方面，都提供了有
　　效的方式以控制運動、氣流、探測血壓以及用藥等挽救生命或者提高生命質量。它主要用于
　　使用換向傳感器的醫療設備之中用于電機控制，比如呼吸機、輸液、胰島素和腎臟透析機等
　　方面的應用；電磁編碼器霍爾傳感器用于注射泵中檢測流速以確定注射器是否為空和注射器
　　是否堵塞的（應用于監測血液再造系統、自動血樣分析系統）。德國卡塞爾大學科學家研制
　　的一種帶磁場的微型傳感器通過遙控牽引磁化納米生物分子，可將血液中極少量的特定蛋白
　　質分子檢測出來，從而通過正常的血液分析取代脊髓液檢查。磁性傳感器在醫療領域應用的
　　另一個例子是用于準備樣本的簡單離心機，它用來幫助控制小型電機，使其變得更加安靜和
　　可靠。在助聽器領域，巨磁阻傳感器IC （GMR）與霍爾及簧片開關競爭。
　　四、在無線一消費領域市場誘人
　　隨著消費電子在全球的風靡，磁性傳感器在消費電子中的應用表現也十分強勁，絲毫不遜色。例如手機、筆記本電腦、電子玩具、電子羅盤等中都有著非常廣泛的應用。MEMS傳感器與磁傳感器在應用中互相促進，這對于推動磁性傳感器在消費電子市場的逐步增長起著一定貢獻。雖然磁阻傳感器發展歷程已經很漫長，技術相對成熟，但僅作為電子羅盤的單獨應用，在以前并不被人們很看好，而現在它與MEMS的結合，會在導航市場成為一個亮點。由于MEMS和磁阻傳感器在功能上可以互相補充，它們的結合使導航產品更加精準。如果把陀螺儀、加速度和磁傳感器三種傳感器集成在一起，三者在功能上互相輔助，則構成了功能更強大的慣性導航產品。
　　在多軸測量電子羅盤中，磁性傳感器擔當著重要部件的角色。而目前具備GPS系統的手機與平板電腦都會采取多軸測量電子羅盤做為標配，這也讓磁性傳感器在無形之中搭上了消費電子的快車。目前磁性傳感器在消費電子中的應用，還讓游戲控制器、筆記本、數碼相機等具有了地理標簽功能。
　　五、在航空、航天、衛星通信及軍事工業大顯身手
　　高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛星通信技術上。大家知道，在軍事工業中隨著吸波技術的發展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。GMR磁場傳感器可以應用在衛星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。電子羅盤在武器／導彈導航（航位推測），航海和航空的高性能導航設備中功不可沒。如果在水雷或地雷上安裝磁性傳感器，由于坦克或者軍艦都是鋼鐵制造的，在它們接近（無須接觸目標）時，傳感器就可以探測到磁場的變化使水雷或地雷爆炸，提高了殺傷力。美國海軍于20世紀80年代初開始研制Terfenol-D水下聲納，由永磁體產生偏磁場，螺線管產生交流磁場，隨著磁場的變化環就膨脹收縮將聲波發射出去，利用水聲傳播特性對水中目標進行傳感探測，用于搜索、測定、識別和跟蹤潛艇和其他水中目標，進行水聲對抗，水下戰術通信、導航和武器制導、保障艦艇、反潛飛機的戰術機動和水中武器的使用等。
　　六、在環境監測中的應用前景廣闊
　　環境保護的前提是對各個環境參數（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲……．）的監測，這里需要使用多種大量的傳感器。采用強磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器和感應式磁傳感器，可以同時測量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠距離訪問。在食品包裝、環境科學實驗等方面，應用前景也很廣闊。
　　七、在其它工業應用方面也引人關注
　　在其它工業應用方面，磁性傳感器可用于電腦服務器等機器的不間斷電源（UPS）、焊接系統、機器人技術、火車運輸基礎設施、非道路車輛和叉車。在許多測量50安培以下電流的應用中，比如住宅太陽能逆變器應用或小型UPS系統，使用簡單的resistive bar或分路（shunt）。但隨著所測電流強度的上升，shunt變得笨重和昂貴。在大型變頻電機等電流較高的應用中，開環與閉環霍爾傳感器在一個小型封裝中使用霍爾效應IC;也可以提高集成度，在封裝中包含一個專用集成電路?；魻朓C同樣用于工業洗衣機變頻器控制應用之中。除了電流傳感器，獨立霍爾效應IC或磁阻傳感器開關也存在規模一定的市場，這些器件用于電機整流，以降低紋波和改善性能，或者用于位置測量等…。

磁電傳感器的應用：磁電式傳感器

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磁電式傳感器
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磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將輸入的運動速度轉換成線圈中的感應電勢輸出。它直接將被測物體的機械能量轉換成電信號輸出，工作不需要外加電源，是一種典型的無源傳感器。由于這種傳感器輸出功率較大，因而大大地簡化了配用的二次儀表電路。
[1]
磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器， 它只適合進行動態測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩定；
中文名
磁電式傳感器
別 名
電動式或感應式傳感器
類 別
傳感器
工作頻帶
10～1000Hz
特 性
雙向轉換
原 理
電磁感應
目錄
1
原理結構
2
工作原理
3
測量電路
4
設計原則
5
分類
?
霍爾式
?
應用
6
傳遞矩陣
7
磁電應用
磁電式傳感器原理結構
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利用其逆轉換效應可構成力(矩)發生器和電磁激振器等。根據這一原理，可以設計成變磁通式和恒磁通式兩種結構型式，構成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。圖1所示為分別用于旋轉角速度及振動速度測量的變磁通式結構。變磁通式結構(a)旋轉型（變磁））； (b)平移型（變氣隙）其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動鐵心3(銜鐵)的運動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產生感應電勢，因此又稱變磁阻式結構。
圖1 變磁式結構
磁電式傳感器工作原理
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根據電磁感應定律, 當w匝線圈在恒定磁場內運動時, 設穿過線圈的磁通為Φ, 則線圈內的感應電勢E與磁通變化率dΦ/dt有如下關系: E=-w(dΦ/dt)
磁電式傳感器測量電路
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磁電式傳感器直接輸出感應電勢, 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器, 若要獲取被測位移或加速度信號, 則需要配用積分或微分電路。
磁電式傳感器設計原則
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磁電感應式傳感器有兩個基本元件組成:一個是產生恒定直流磁場的磁路系統，為了減小傳 感器體積，一般采用永久磁鐵;另一個是線圈，由它與磁場中的磁通交鏈產生感應電動勢。感應 電動勢與磁通變化率或者線圈與磁場相對運動速度成正比，因此必須使它們之間有一個相對運 動。作為運動部件，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。所以，必須合理地選擇它們的結構形式、 材料和結構尺寸.以滿足傳感器的基本性能要求。對于慣性式傳感器，具體計算時，一般是先根據使用場合、使用對象確定結構形式和體積大 ?。摧喞叽纾?，然后根據結構大小初步確定磁路系統，計算磁路以便決定磁感應強度B。這樣，由技術指標給定的靈敏度S值以及確定的B值，由S=e/v=BιN即可求得線圈的匝數N。因為 在確定磁路系統時，氣隙的尺寸已經確定了，線圈的尺寸也已確定，亦即 ι已經確定。根據這些 參數，便可初步確定線圈導線的直徑d。從提高靈敏度的角度來看，B值大，S值也大，因此磁路 結構尺寸應大些。只要結構尺寸允許，磁鐵可盡量大些，并選擇B值大的永磁材料，匝數N也可 取得大些。當然具體計算時導線的增加也是受其他條件制約的，各參數的選擇要統一考慮，盡量從優。
磁電式傳感器分類
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一般分為兩種：（1）磁電感應式（2）霍爾式
磁電式傳感器霍爾式
霍爾效應置于磁場中的導體（或半導體），當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向會產生電動勢（霍爾電勢），原因是電荷受到洛倫茲力的作用。定向運動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當fl=fE時，達到平衡，此時基本結構
霍爾元件的基本結構圖如圖2：
圖2
基本特性（1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10度時所流過的激勵電流以元件最大溫升為限制所對應的激勵電流（2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻電壓源內阻（3）不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應強度為零，此時測得的空載霍爾電勢。不等位電勢就是激勵電流經不等位電阻所產生的電壓。（4）寄生直流電勢（5）霍爾電勢溫度系數誤差補償（1）零點誤差：不等位電勢：①電極引出時偏斜，②半導體的電阻特性（等勢面傾斜）造成。③激勵電極接觸不良。寄生直流電勢：由于霍耳元件是半導體，外接金屬導線時，易引起PN節效應，當電流為交流電時，整個霍耳元件形成整流效應，PN節壓降構成寄生直流電勢，帶來輸出誤差。補償方法制作工藝上保證電極對稱、歐姆接觸電路補償
[2]
（2）霍爾元件的溫度補償誤差原因：溫度變化時，KH,Ri（輸入電阻）變化補償辦法1.對溫度引起的I進行補償。采用恒流源供電。但只能減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流的變化的影響。2.對KHI乘積項同時進行補償。采用恒流源與輸入回路并聯電阻。如圖3所示：
圖3
磁電式傳感器應用
（1）霍爾式位移傳感器工作原理圖：如圖4所示
圖4
(2)幾種霍爾式轉速傳感器的結構：如圖5所示:
圖5
(3)霍爾計數裝置的工作示意圖及電路圖：如圖6所示：
[2]
圖6
磁電式傳感器傳遞矩陣
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一.傳遞矩陣一.機械阻抗圖(a)所示的質量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數為c的單自由度機械振動系統。設在力F作用下產生的振動速度和位移分別為v和x，由此可列出力平衡方程機械阻抗圖(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯電路，設電源電壓為u，回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程這兩個微分方程式雖然機電內容不同，但形式相同。因此，這兩個系統為一對相似系統。一個系統可以根據求解它的微分方程來討論其動態特性，故上述兩相似系統的動態特性必然一致，可以實現機電模擬。一對相似系統(a)單自由度機械振動系統；(b)RLC串聯電路在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯系起來的一個參數，可以設想，如同電路中的電阻抗一樣，假設機械系統存在“機械阻抗”ZM。類似于電系統，由第一個式子可得可見ZM是將機械系統 中某一點上的運動響 應與引起這個運動的力聯系起來的一個參數。由此可得，作簡諧運動的線性機械系統的機械阻抗的定義為機械阻抗ZM(復數)=激振力(復數)/運動響應(復數)引用機械阻抗概念來分析機械系統的動態特性，就可以用簡單的代數方法求得描述動態特性的傳遞函數，而不必求解微分方程。
磁電式傳感器磁電應用
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測振傳感器磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監視系統中獲得了廣泛的應用。常用地測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。(一).測振傳感器的應用航空發動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監測與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測振傳感器的工作特性振動傳感器是典型的集中參數m、k、c二階系統。作為慣性(絕對)式測振傳感器，要求選擇較大的質量塊m和較小的彈簧常數k。這樣，在較高振動頻率下，由于質量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體(同傳感器殼體)相對質量塊的位移y(輸出)就可真實地反映振動體相對大地的振幅x(輸入)。磁電式力發生器與激振器前已指出磁電式傳感器具有雙向轉換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機械量。在慣性儀器——陀螺儀與加速度計中廣泛應用的動圈式或動鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應用。它在機械結構的動態實驗中是非常重要的設備，用以獲取機械結構的動態參數，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。除上述應用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉速等測量。
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.

李開宇．傳感器原理：科學出版社，2007年
2.

陳杰．傳感器與檢測技術：高等教育出版社，2002.8：80

磁電傳感器的應用：磁電式傳感器解析，磁電式傳感器的原理結構及其應用

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