磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。它能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種無(wú)源傳感器。磁電式傳感器有時(shí)也稱(chēng)作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定。

　　磁電式傳感器的原理結(jié)構(gòu)

　　磁電式傳感器有時(shí)也稱(chēng)作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定；

　　利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線(xiàn)圈在均恒磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通為Φ，則線(xiàn)圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：

　　根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測(cè)量線(xiàn)速度或角速度的磁電式傳感器。下圖所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動(dòng)速度測(cè)量的變磁通式結(jié)構(gòu)。

　　變磁通式結(jié)構(gòu)

　?。╝）旋轉(zhuǎn)型（變磁））； （b）平移型（變氣隙）

　　其中永久磁鐵1（俗稱(chēng)“磁鋼”）與線(xiàn)圈4均固定，動(dòng)鐵心3（銜鐵）的運(yùn)動(dòng)使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，因此又稱(chēng)變磁阻式結(jié)構(gòu)。

　　變磁式結(jié)構(gòu)

　　在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢(shì)是由于永久磁鐵與線(xiàn)圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)——線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生。這類(lèi)結(jié)構(gòu)有兩種，如下圖所示。

　　圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場(chǎng)均勻分布，測(cè)量線(xiàn)圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場(chǎng)中。

　　當(dāng)線(xiàn)圈與磁鐵間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為

　　式中 B——?dú)庀洞磐芏龋═）；

　　l——?dú)庀洞艌?chǎng)中有效匝數(shù)為W的線(xiàn)圈總長(zhǎng)度（m）為l=laW（la為每匝線(xiàn)圈的平均長(zhǎng)度）

　　v——線(xiàn)圈與磁鐵沿軸線(xiàn)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（ms-1）。

　　當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式（5-2）中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢(shì)e僅與相對(duì)速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為

　　為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長(zhǎng)度，以提高氣隙磁通密度B；增加la和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。

　　為了保證傳感器輸出的線(xiàn)性度，要保證線(xiàn)圈始終在均勻磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿(mǎn)足傳感器基本性能要求。

　　各種磁電式傳感器

　　1、磁電感應(yīng)式傳感器

　?。?） 磁電感應(yīng)式傳感器的特點(diǎn)

　　磁電感應(yīng)式傳感器簡(jiǎn)稱(chēng)感應(yīng)式傳感器，也稱(chēng)電動(dòng)式傳感器。它把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般為10～1000Hz），適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。

　?。?） 磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理，分類(lèi)與應(yīng)用

　　工作原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線(xiàn)，線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。e的大小與穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通Φ變化率有關(guān)。按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻式傳感器。

　　恒定磁通式磁電感應(yīng)式傳感器按運(yùn)動(dòng)部件的不同可分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式。動(dòng)圈式磁電傳感器的中線(xiàn)圈是運(yùn)動(dòng)部件，基本形式是速度傳感器，能直接測(cè)量線(xiàn)速度或角速度，如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來(lái)測(cè)量位移或加速；動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)式傳感器的運(yùn)動(dòng)部件是鐵芯，可用于各種振動(dòng)和加速度的測(cè)量。

　　變磁通式磁電感應(yīng)傳感器中，線(xiàn)圈和磁鐵都靜止不動(dòng)， 轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化，常用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。如動(dòng)畫(huà)所示，線(xiàn)圈3和磁鐵5靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪1（導(dǎo)磁材料制成）每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線(xiàn)圈3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪1上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)100Hz。

　　2、霍爾式傳感器

　?。?） 霍爾傳感器的特點(diǎn)

　　霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍大（輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1）、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。

　　（2） 霍爾傳感器原理

　　金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。

　　霍爾效應(yīng)原理

　　霍爾電勢(shì)可用下式表示：

　　霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的檢測(cè)，按被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。

　?。?） 霍爾傳感器的應(yīng)用

　　維持I、q 不變，則EH=f（B），這方面的應(yīng)用有測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測(cè)量原理的霍爾式加速度計(jì)、微壓力計(jì)等;

　　維持I、B不變，則EH=f（q），這方面的應(yīng)用有角位移測(cè)量?jī)x等。

　　維持q 不變，則EH=f（IB），即傳感器的輸出EH與I、B的乘積成正比，這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾式功率計(jì)等。

　?。?） 霍爾傳感器的選用注意事項(xiàng)

　　1．磁場(chǎng)測(cè)量。如果要求被測(cè)磁場(chǎng)精度較高，如優(yōu)于±0.5％，那么通常選用砷化鎵霍爾元件，其靈敏度高，約為5—10mv/100mT.溫度誤差可 忽略不計(jì)，且材料性能好，可以做的體積較小。在被測(cè)磁場(chǎng)精度較低，體積要求不高。如精度低于±0.5％時(shí)，最好選用硅和鍺雹爾元件。

　　2．電流測(cè)量。大部分霍爾元件可以用于電流測(cè)量，要求精度較高時(shí)．選用砷化鎵霍爾元件，精度不高時(shí)，可選用砷化鎵、硅、鍺等霍爾元件。

　　3．轉(zhuǎn)速和脈沖測(cè)量。測(cè)量轉(zhuǎn)速和脈沖時(shí)，通常是選用集成霍爾開(kāi)關(guān)和銻化銦霍爾元件。如在錄像機(jī)和攝像機(jī)中采用了銻銦霍爾元件替代電機(jī)的電刷，提高了使用壽命。

　　4．信號(hào)的運(yùn)算和測(cè)量。通常利用霍爾電勢(shì)與控制電流、被測(cè)磁場(chǎng)成正比，并與被測(cè)磁場(chǎng)同霍爾元件表面的夾角成正弦關(guān)系的特性，制造函數(shù)發(fā)生器。利用霍爾元件輸出與控制電流和被測(cè)磁場(chǎng)乘積成正比的特性。制造功率表、電度表等。

　　5．拉力和壓力測(cè)量。選用霍爾件制成的傳感器較其它材料制成的陣感器靈敏度和線(xiàn)性度更佳。

　　3、磁阻效應(yīng)傳感器

　　磁阻元件類(lèi)似霍爾元件，但它的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)（或稱(chēng)高斯效應(yīng)）。磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別在于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相對(duì)于電流的方向，霍爾電勢(shì)是垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。

　　上圖是一種測(cè)量位移的磁阻效應(yīng)傳感器。將磁阻元件置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它相對(duì)于磁場(chǎng)發(fā)生位移時(shí)，元件內(nèi)阻R1、R2發(fā)生變化，如果將它們接于電橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。

　　磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長(zhǎng)、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。

　　磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁場(chǎng)等參數(shù)的測(cè)量。

　　磁電應(yīng)用

　　測(cè)振傳感器

　　磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　常用地測(cè)振傳感器有動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器、圈式振動(dòng)速度傳感器等。

　?。ㄒ唬?。測(cè)振傳感器的應(yīng)用

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車(chē)輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究都可使用磁電式傳感器。

　?。ǘ?。測(cè)振傳感器的工作特性

　　振動(dòng)傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性（絕對(duì)）式測(cè)振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。

　　這樣，在較高振動(dòng)頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對(duì)大地靜止。這時(shí)，振動(dòng)體（同傳感器殼體）相對(duì)質(zhì)量塊的位移y（輸出）就可真實(shí)地反映振動(dòng)體相對(duì)大地的振幅x（輸入）。

　　磁電式力發(fā)生器與激振器

　　前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線(xiàn)圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量。

　　在慣性?xún)x器——陀螺儀與加速度計(jì)中廣泛應(yīng)用的動(dòng)圈式或動(dòng)鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中是非常重要的設(shè)備，用以獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如共振頻率、剛度、阻尼、振動(dòng)部件的振型等。

　　除上述應(yīng)用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測(cè)量。