第八节 磁电式检测元件 磁电式检测元件 磁电感应式 霍尔元件 电磁原理 被测量 电信号 电流 霍尔电压 感应电动势 振动 转速 电流 扭矩 第八节 磁电式检测元件 电磁原理 被测量 电信号 磁电式检测元件 磁电感应式 振动 电流 转速 电流 扭矩 霍尔电压 霍尔元件 磁场 压力 位移 感应电动势

一 电磁感应现象

电磁感应定律 穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势 感应电动势的大小正比于磁通变化率 国际单位制 韦伯 伏特

楞次定律 闭合的导线回路中所出现的感应电流,其感应电流的方向总是试图减小磁通的变化量（右手定则）. 楞次定律 闭合的导线回路中所出现的感应电流,其感应电流的方向总是试图减小磁通的变化量（右手定则）. + + + + + + + + 楞次定律是能量守恒定律的一种表现 机械能 焦耳热 维持滑杆运动必须外加一力，此过程为外力克服安培力做功转化为焦耳热.

用楞次定律判断感应电流方向 线圈中有电流，电能从何而来？ 自由落下 磁铁在运动前后没有变化，电能只能从磁铁运动的动能转化而来。 保持磁铁向下运动的动能 势能 动能 通过磁场的变化转变成为电能 推论：磁铁落地速度变慢 磁铁在线圈上方，线圈电流产生的磁感应强度方向向上，在下方时，线圈电流产生的磁感应强度方向向下

不同类型的磁电式传感器 磁通量Ф的变化实现办法: 磁铁与线圈之间做相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中线圈面积的变化. 直接应用：测定速度 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路，磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。

恒磁阻式检测元件 线速度型 角速度型 感应电势与线圈对磁场的相对运动的线速度或线圈相对磁场的角速度成正比 (a)线速度型 (b)角速度型 1--线圈； 2--运动部件； 3--永久磁铁 恒磁阻式检测元件结构原理图

1. 动圈式磁电传感器原理 图5.1.1 动圈式磁电传感器原理图

传感器原理 如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的， 则当线圈与磁场的相对速度为υ时，线圈的感应电动势： α为运动方向与磁场方向间夹角，当α＝90°，线圈的感应电动势为： 当N、B和la恒定不变时，E与υ=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。

已知 求 解 设 时, 与 同向 , 则 令 则

可见,在匀强磁场中匀速转动的线圈内的感应电电流是时间的正弦函数.这种电流称交流电.

思考题 如何根据测量得到的线速度或角速度得到位移和加速度？

5.1.3 磁阻式磁电传感器 线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。 结构：开磁路、闭磁路

变磁阻式－－开磁路式 1--永久磁铁； 2--衔铁； 3--感应线圈； 4--齿轮 开磁路式转速检测元件原理图

变磁阻式－－闭磁路式 1--转轴； 2--内齿轮； 3a、3b--外齿轮； 4--线圈； 5--永久磁铁 闭磁路式转速检测元件原理图

变磁阻式检测元件特点 变磁阻式检测元件的线圈与磁铁之间没有相对运动； 由运动着的被测物体(一般是导磁材料)来改变磁路的磁阻，引起磁通量变化,从而在线圈中产生感应电动势。 感应电势是一交变信号，变化的频率与转速有关（转速测量）

作业 如下图所示,是一个水平放置的导体框架,宽度l=0.50m,接有电阻R=0.20Ω,磁感应强度B=0.40T,方向如图所示.今有一导体棒ab横放在框架上,并能无摩擦的沿框滑动,其他部分电阻均不计,当ab以v=4t m/s的速度向右匀加速滑动时,试求: 1)导体棒ab在t=0~5s时间段产生 的平均感应电动势的大小 2)导体棒ab在t=5s时产生 的感应电动势的大小

作业 2、恒磁阻式检测元件和变磁阻式检测元件的测量原理有何不同？

磁电感应式检测元件的等效电路

检测元件的灵敏度 （以线速度型恒磁阻式检测元件为例） 检测元件的电流灵敏度Si和电压灵敏度Sv为：

磁电式检测元件的误差及补偿 当磁电感应式检测元件工作温度发生变化，或受到外磁场干扰，或受到机械振动或冲击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量误差，其相对误差为

磁电式检测元件的误差来源 温度是最主要的影响因素 永久磁铁的时间非稳定性 电磁感应引入的非线性

1、温度变化引入的误差 磁感应强度的温度系数为负； 线圈长度的温度系数是正的； 负载电阻的温度系数为正； 温度每变化1℃，对于铜线有: dl/l≈0.167×10-4 ； dR/R≈0.43×10-2 ； dB/B≈-0.02×10-2(取决于材料性质)。 Ri ＜＜ RL

温度补偿－热磁分流器 具有负温度系数的热磁合金材料加在磁路系统的两个极靴上; 在正常温度下，热磁分流器将空气隙磁通分路一部分 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温度下显著降低，从而保持空气隙中的工作磁通不随温度变化。 磁性材料磁感应强度B与温度T的关系曲线 1—镍铝合金；2—钴钢；3—钨钢；4—热磁合金

2、永久磁铁时间不稳定性 当测量电路满足Ri ＜＜ RL时，电磁感应式检测元件的电压灵敏度可近似为 则灵敏度的相对误差为 一般线圈长度具有较好的时间稳定性，而经磁化的永久磁铁的磁性一般会随时间而发生变化 解决办法：永磁材料在充磁前先进行退火处理，以消除内应力。充磁后再进行老化处理。

3、非线性误差－补偿线圈 感应电流会产生磁场，该磁场会削弱永久磁铁所产生的磁场，从而使磁电式检测元件的实际磁通量减少，引起严重的非线性； 解决办法：补偿线圈，补偿线圈的反馈电流为 1—弹簧； 2—线圈； 3—磁轭； 4—永久磁铁； 5—补偿线圈

霍尔检测元件 霍尔效应：美国物理学家霍尔(Edwin Herbert Hall,1855-1938)于1879年在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。

霍尔元件  霍尔效应  霍尔元件 欧姆接触 2 Ge/Si/InAs/InSb 1 霍尔电压引出线  霍尔效应  霍尔元件 霍尔电压引出线 I 恒定  U ~ B 在一定范围内呈线性 欧姆接触 B 交变  U 交变 Ge/Si/InAs/InSb 2 B 恒定  U ~ I 呈线性 控制电流引线 1 B  霍尔元件内阻

霍尔集成器件 将霍尔元件、放大器、施密特触发器及输出电路通过集成化制作工艺构成独立元件  线性集成器件 B 差分输出  开关集成器件 B  线性集成器件 U ~ B 在一定范围内呈线性 B A D 差分输出  开关集成器件 开关特性有回差 B A H 功率放大 L 可补偿 响应快 稳定性好 功耗低

思考题 1. 如何用3个集成开关式霍尔器件实现电机转向和转速的测量？ 2. 简述霍尔元件测量电流、磁感应强度、微位移的原理？ 3. 何为霍尔元件的灵敏度，与哪些因素有关，对材料选择制作工艺有何要求