§6-1 磁电式传感器
磁电式传感器（也称电磁感应传感器）：它是基于电磁感应的传感器。利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势。
特点:不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，输出电压灵敏度高。
§6-1-1 磁电式传感器的工作原理
一、 磁电式传感器的工作原理：
磁电式传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应原理。当通过回路的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电势与磁通量对时间变化率的负值成正比。
（6-1）
式中：Φ为线圈的磁通；N为线圈的匝数。
二、 线圈在恒定均匀磁场作直线运动并且切割磁力线时：
线圈的磁通： （6-2）
线圈两端感应电势： （6-3）
其中：θ：线圈运动方向与磁场方向的夹角； B V
B：磁感应强度；x：位移；l：每匝线圈的平均长度； θ
V：线圈与磁场相对运动的速度。
当θ=900时： （6-4）
三、线圈相对磁场旋转切割磁力线时：
线圈两端感应电势： （6-5）
其中，θ为线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角；
A：线圈截面积；ω：旋转运动角速度。
当θ=900时： （6-6）
结论：当N、B、A、l为定值时，感应电动势e与线圈和磁场的相对运动速度v（或ω）成正比。
改变磁通方法或用线圈切割磁力线方法产生感应电动势，所以磁电式传感器可以分为变磁通式和恒磁通式两种类型。
§6-1-2 恒磁通式磁电传感器
一、工作原理：
气隙磁通保持不变，感应线圈与磁钢作相对运动，线圈切割磁力线产生感应电势。由式（6-3） 得到： 。
二、磁电式振动传感器：（图6-1所示）
图6-1 磁电式振动传感器的结构图
1-弹簧片 2-永久磁铁 3-阻尼器 4-引线 5-芯杆 6-外壳 7-线圈 8-弹簧片
1.
1．组成：
固定部分：永久磁铁、壳体。
可动部分：线圈、芯杆、阻尼环
弹簧片
2．工作原理：
壳体振动
线圈切割磁力线
感应电动势势
（1）传感器紧固在振动体上，外壳及磁铁与振动体一起震动。
（2）线圈与磁铁作相对运动而切割磁力线。
（3）线圈两端产生电动势，且 。
（4）e的大小就代表了v的大小。
（5）还可经过积分或微分电路测量位移或加速度。
§6-1-3 变磁通式电磁传感器
一、 工作原理：
产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，通过磁通Φ的变化产生感应电动势e。变磁通式又称磁阻式，常用于角速度的测量。
二、磁电式转速传感器：（图6-2所示）
1．组成：
固定部分：磁铁、感应线圈、极靴。
可动部分：铁磁材料的旋转齿轮。
图6-2 磁电式转速传感器的结构图
1.永久磁铁;2.软铁极靴;3.感应线圈;4.齿轮
2．工作原理：
齿轮转动
气隙交替变化
磁阻变化
磁通变化
产生感应
电动势
由于传感齿轮每转过一个齿，感应电势经历了一个周期。所以，
周期T＝转过一个齿所用的时间。
得： （6-7）
或： （6-8）
式中：T为感应电动势的周期；Z为齿轮齿数；n为转速；f为感应电动势的频率。从（6-8）式可得： 从测f得到转速n的值。
§6-2 霍尔传感器
霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。这种传感器是一片矩形的P型半导体（称为霍尔元件），通常是由砷化铟（InAs）制成的。它可以直接测量磁场及微位移，也可以间接测量液位、压力等工业参数。
它具有灵敏度高、线性度和稳定性好、体积小、重量轻，频带宽，动态特性好、寿命长和耐高温等特性。
§6-2-1霍尔传感器的外形结构和性能
一、霍尔传感器的外形：（图6-3所示）
(a) (b) (c)
图6-3 霍尔传感器的外形图
(a)霍尔元件；(b)霍尔接近开关；(c)霍尔电流传感器
二、霍尔元件的结构和符号：
图6-4 霍尔元件
1．图6-4（a）：从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-2电极用于加控制电流，称控制电极。另一对3-4电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。
2．图6-4（b）：霍尔元件的外形图。
3．图6-4（c）：霍尔元件通用的图形符号。
三、霍尔接近开关介绍：
1．特点：
响应频率高，重复定位精度高，抗干扰能力强，多种保护功能，有工作状态指示灯，可以和编程控制器(PC)直接接口，高可靠性和长寿命等。
2．技术参数：
参数/型号
JK JB JZ
5002C
8002C
5002D
8002D
5020D
8020D
5050D
8050D
8100D
电源电压(V)
5～24
8～30
负载电流(mA)
20
200
500
1000
工作距离(mm)
5～7
8～11
5～7
8～11
5～7
8～11
5～7
8～11
8～11
输出低电平(V)
≤0.4
≤0.5
≤1.0
响应频率(KHz)
100
50
定位精度(mm)
0.02
指示灯
N/Y
Y
Y
Y
极性和浪涌保护
N
N
Y
Y
过热保护
Y
Y
Y
Y
输出方式
NPN
NPN/PNP
工作温度(℃)
I -40～+125 Ⅱ-25～+85
3．使用：
（1） 配套磁钢采用Φ8×4钕铁硼磁钢S面(表面磁感应强度为0.3T)。
（2） 接线方式：红：电源(Vcc)；黄：输出(VOUT)；黑：地线(GND)。
（3） 接线图：
图6-5 霍尔接近开关的接线图
4. 触发方式：
图6-6 霍尔接近开关的触发方式
§6-2-2霍尔传感器的工作原理
一、霍尔传感器的工作原理：
霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。而霍尔效应是置于磁场中的导体或半导体中流过电流时，若是没有磁场的影响，则正电荷载流子能平稳地流过，此时，输出端（从载流导体上平行于电流和磁场方向的两个面引出）的电压为0。当加入一个与电流方向垂直的磁场时(图6-7所示)，电荷载流子会由于洛伦慈力的作用而偏向一边，在输出端产生电压——霍尔电压。这一现象称为霍尔效应。
图6-7 霍尔电压的产生
二、 霍尔元件产生的霍尔电压大小的决定因素：
主要由三个方面的因素决定：
1． 电源提供的电流的大小。
2． 霍尔元件所处磁场的强度。
3． 霍尔元件的物理尺寸。霍尔电压是和元件厚度以及磁力线垂直穿过的横断面积成正比的。
由于霍尔元件的物理尺寸是不会变化的，因此
霍尔电压为： （6-9）
其中：KH为霍尔元件的灵敏度：
从上式得出：霍尔电压UH正比于I和B，当控制电流I恒定时，B越大，UH越大，B改变方向时，UH也改变方向；而当B恒定时，I变化时，UH也变化。
§6-2-3 霍尔传感器的测量电路及补偿
一、 测量电路：
图6-8 霍尔传感器的测量电路
二、温度误差及补偿：
由于霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。为了减小霍尔元件的温度误差，可采取：
1．选用温度系数小的元件。
2．采用恒温措施。
3．采用恒流源供电：
三、零位特性及补偿：
1．零位特性：在无外加磁场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性。
2．零位误差：零位特性产生的误差。
3．不等位电压：霍尔元件的激励电流为额定电流IN而磁感应强度为0时，所测得的空载霍尔电压UO。
4．不等位电阻R0：R0=UO/IN
不等位电压产生的主要原因：霍尔电极安装时不在同一个电位面上，两者之间存在不等位电阻。（图6-9所示）
IN
RO
UO
图6-9 不等位电阻的产生 图6-10 桥路补偿电路
补偿方法：利用桥路平衡的原理来补偿。见图6-10所示。
§6-2-4 霍尔传感器的应用
一、 测量磁场：
在控制电流恒定时，由于 ，霍尔电压与磁感应强度成正比。霍尔传感器特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。
二、测量压力：
它是把压力先转换成位移后，再应用霍尔电压与位栘关系测量压力。
图6-11中作为压力敏感元件的弹簧片，其一端固定，另一端安装着霍尔元件，当输入压力增加时，弹簧伸长，使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移，从霍尔元件输出的电压的大小即可反映出压力的大小。且磁场梯度越大，输出霍尔电压对位移变化的灵敏度越高，磁场梯度越均匀，输出电压对位移的线性度就越好。
图6-11 霍尔压力传感器
a）弹簧片式；b）波纹管式
三、 测量转速：
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，经过放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。（见图6-12所示）
S
磁铁
线性霍尔元件
图6-12 霍尔传感器测量转速 图6-13 霍尔接近开关
四、 霍尔接近开关：（图6-13所示）
当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔接近开关动作。霍尔接近开关还配一块钕铁硼磁铁。
当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动，起到限位的作用。
五、霍尔电流传感器：
结构如图6-14所示 用一环形导磁材料制作成磁心，套在被测电流流过的导线上，在磁心上开一气隙，内置一个霍尔传感器。当导线中有电流流过时，便在磁心中感生磁场，霍尔元件受到磁场的作用，输出霍尔电压。导线中电流越大，磁场越强，输出霍尔电压越大。
当磁场恒定时，霍尔电压与控制电流之间呈线性关系，可用它直接测量电流——钳形电流表，
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