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* 磁电式传感器 磁电式传感器 磁电感应式传感器 霍尔式传感器 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。 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为 (7-1) 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。 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： 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。变磁通式又称为磁阻式， 图7-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。 (7-2) 图7-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路 图7-1（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。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上齿数的乘积。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。 图7-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式 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（图7-2（a））和动铁式（图7-2(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 (7-3) 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。 7.2 霍尔式传感器 7.2.1 霍尔效应及霍尔元件 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7-9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。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，fl的大小为 fl=eBv （7-9） 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。 图7-9 霍尔效应原理图 fl的方向在图7-9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 （7-10） 式中, UH为电位差。 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。 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 （7-11） 时， 则 EH=vB （7-12） 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为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，即 （7-13） 将式（7-13）代入式（7-12）得 （7-14） 将上式代入式（7-10）得 （7-15） 式中令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度, 则 （7-16） 式中, KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。 由式（7-16）可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 霍尔元件激励极间电阻R=ρl