第 5 章 电动势式传感器

5.1 磁电感应式传感器5.2 霍尔传感器5.3 压电式传感器

5.1 磁电感应式传感器 简称感应式传感器，也称电动式传感器。

将被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机－电能量变换型传感器。

优点：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率响应（一般 10 ～ 1000Hz ），灵敏度较高，一般不需要高增益放大器。

缺点：传感器的尺寸和重量都较大。 应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。

5.1.1 工作原理： 当运动导体在磁场中切割磁力线时，闭合导体

回路中的磁通量 φ 发生变化，在导体中产生感应电动势ｅ，当导体形成闭合回路就会出现感应电流。导体中感应电动势ｅ的大小与回路所包围的磁通量的变化率成正比，那么 N 匝线圈在变化磁场中感应电动势为：

ｅ = － Ndφ/dt 　　 当线圈垂直于磁场方向运动以速度 v 切割

磁力线时，感应电动势为：ｅ = － NBlv

式中 l 代表每匝线圈的平均长度； B 为线圈所在磁场的磁感应强度。若线圈以角速度转动， S 为每匝线圈的平均截面积，则上式可写成：

ｅ = － NBS

5.1.2 磁电感应式传感器的类型

按照磁场感应方式分类，可分为：1 、变磁通式传感器： 在结构上有开磁路和闭磁路两种，一

般用来测量旋转物体的角速度，产生感应电动势的频率作为输出。

2 、恒定磁通式传感器 其运动部件可以是线圈或者磁铁，因

此又分为动圈式和动铁式两种结构类型。

5.1.3 特性分析

磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。

1 、主要技术指标： （ 1 ）输出电流 I0 ，

（ 2 ）电流灵敏度 SI ，

（ 3 ）输出电压 U0

（ 4 ）电压灵敏度 SU 。

2 、静态误差

当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为

根据这种误差产生的不同因素，相对误差又可

分为非线性误差和温度误差 。

IX

I

dS dB dl dR

S B l R

3 、频率响应特性分析 磁电感应式传感器是机 - 电能量变换型传感器，其等效机械系统如图所示，为二阶系统。

其运动方程为 ：

磁电感应式传感器的等效机械系统

0 ( )( )( ) ( )

dV tdV tm cV t K V t dt m

dt dt

其幅频特性与相频特性分别为 ：

2

2 2 2

( / )( )

[1 ( / ) ] [2 ( / )]n

V

n n

A

2

2 ( / )( ) arg

1 ( / )n

Vn

tg

ω— 被测振动的角频率；

ω0— 传感器运动系统的固有角频率， ω0 ＝ ；

ξ— 传感器运动系统的阻尼比， 。

/K m

/(2 )c mK

磁电感应式速度传感器的幅频响应特性曲线

10Av(ω)

欠阻尼

中频灵敏度

过阻尼

最佳阻尼

二次谐振

高频下降

10.1

0.1

1.0

10 102

ω/ω0

5.1.4 磁电感应式传感器应用

不需外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率响应范围（一般为 10 ～ 1000Hz ），可用于振动、转速、扭矩等方面测量。

1. 磁电感应式振动加速度传感器

1 、 8— 圆形弹簧片 2— 圆环形阻尼器 3— 永久磁铁 4— 铝架 5— 心轴 工作线圈 7— 壳体 9— 引线

CD-1 型绝对振动速度传感器的结构

2. 磁电感应式转速传感器 1 2

3

4

5

1— 转轴 2— 转子

3— 永久磁铁 4— 线圈 5— 定子

磁电式转速传感器的结构

3. 磁电感应式扭矩仪

磁电感应式扭矩仪工作原理图

磁电传感器

测量仪表

齿形圆盘

扭转轴

磁电传感器21

4. 磁流量传感器

电磁流量传感器的结构

5.2 霍尔传感器 霍尔式传感器是基于霍尔效应原理将被测量，如

电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一种传感器。

优点：霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围（输出电动势的变化）大，无触点，寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电路化。

缺点：转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿。

因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到广泛应用。

5.2.1 霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

图 5.12 霍尔效应原理图

霍尔元件常用的半导体材料有 N 型硅（ Si ）、 N 型锗（ Ge ）、锑化铟（ InSb ）、砷化铟（ InAs ）、砷化镓（ GaAs ）等。霍尔元件在电路中可用两种符号表示，如图：

5.2.2 霍尔元件结构及其特性分析

霍尔元件的主要技术参数

霍尔元件的主要技术参数有灵敏度、输入输出电阻、额定控制电流、不等位电势、不等位电阻、寄生直流电势、感应零电势、霍尔电势温度系数、电阻温度系数、灵敏度温度系数、线性度等。

5.2.3 霍尔元件的驱动电路

霍尔元件的基本驱动电路如图所示，电路比较简单，其中 R用来调节控制电流， RL为负载电阻。

霍尔元件可采用两种方式：恒流驱动或恒压驱动

其中恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。

（ a ） 恒流驱动 （ b ） 恒压驱动

5.2.4 霍尔元件的误差分析及补偿

由于制造工艺问题以及实际使用时各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。

1 、霍尔元件的零位误差及其补偿

霍尔元件的零位误差包括不等位电势、寄生直流电势和感应零电势等，其中不等位电势是最主要的零位误差。要降低除了在工艺上采取措施以外，还需采用补偿电路加以补偿。

（ 1 ）不等位电势及其补偿。

（ a ） 两电极点不在同一等位面上（ b ）等位面歪斜霍尔元件不等位电势示意图

霍尔元件不等位电势补偿电路：

（ 2 ）寄生直流电动势。

当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。该电动势是由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。它随时间而变化，导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的散热条件。

2 、温度误差及其补偿 采用恒流源提供恒定的控制电流可以减小温度误差，但元件的灵敏度 KH也是温度的函数，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在元件控制极并联分流电阻R来提高 UH的温度稳定性。

温度补偿电路

霍尔电势的挢路温度补偿法：

5.2.5 霍尔传感器的应用

霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态特性好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。在电磁测量中，用它测量恒定或交变磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；在自动检测系统中，多用于位移、压力和转速测量。

1. 霍尔磁感应强度测量仪

UGN3501M内部框图

霍尔磁感应强度测量电路

电压表

稳压

2. 霍尔传感器测电流

图 5.23 霍尔开关电子点火器

霍尔传感器

磁钢

数显霍尔电流表

3. 霍尔开关电子点火器

霍尔传感器

磁钢

4. 霍尔元件在直流无刷电机中的应用

5.3 压电式传感器

压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。在用作加速度传感器时，可测频率范围为 0.1Hz-20kHz 。这种传感器具有体积小、重量轻、精度高及灵敏度高等优点。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，输出阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有 250℃左右。它的工作原理是基于某些物质的压电效应，它是一种发电式传感器。

5.3.1 压电效应

某些物质（物体），如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面上也会产生电荷 ;当外力去掉时，又重新回到原来的状态。这种现象称之为压电效应。相反，如果将这些物质（物体）置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质（物体）产生机械变形的现象，称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。具有压电效应的物质（物体）称为压电材料（或称为压电元件）。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。

5.3.2 工作原理 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，其等效电路如图（ a ）所示，形成电场。两极板间聚集电荷，中间为绝缘体，使它成为一个电容器，如图（ b ）所示。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。

其电容量 Ca为 :

式中： h— 压电片厚度； s—极板面积； ε—介质介电常数； ε0—空气介电常数，其值为 8.86×10-4 F/cm ；

εr— 压电材料的相对介电常数，随材料不同而变。

0ra

ssC

h h

放大器输入端等效电路：

其中图（ a ）为压电式传感器以电压灵敏度表示的等效电路，即将传感器等效电路再并联 Cc 、 Ri和 Ci 。而图（ b ）是传感器以电荷灵敏度表示的等效电路，两者意义一样，只是表示的方式不同。图中 Ca是传感器的电容， Ra是传感器的漏电阻。

两个压电片的联接方式：

图（ a ）所示接法叫做“并联”，其输出电容 C´为单片电容 C 的两倍，但输出电压 U´等于单片电压U ，极板上的电荷量 Q´为单片电荷量 Q的两倍，即

图（ b ）所示接法称为两压电片的“串联”，从图中可知，输出总电荷 Q’等于单片电荷 Q ，而输出电压 U’为单片电压 U的两倍，总电容 C’为单片电容C的一半，即

2 , , 2Q Q U U C C

, 2 ,2

CQ Q U U C

5.3.3 测量电路1 、电荷放大器 在电荷放大器中，输

出电压 U0与电缆 Cc无关，而与 q成正比，这是电荷放大器的突出优点。放大器输出电压只与传感器的电荷量及反馈电容有关，并且无需考虑电缆的电容，这就为远距离测试提供了很大的方便。

q

Ca

－ A

Cc Ci

Cf

Rf

UO

传感器与电荷放大器连接等效电路

电荷放大器的动态特性：

（ 1 ）压电式加速度计不能作静态测量。 （ 2 ）灵敏度与电缆电容几乎无关，使用

长度可达百米，但电缆长会使噪声增加，信噪比降低。

2 、电压放大器 图 （ a ） 中 , 如果压 电元件沿着电 轴 作 用 的交变 力 为

f=Fmsinωt ，则所产生的电荷与电压均按正弦规律变化，其电压为

式中， d为压电系数。电压的幅值 Um=dFm/Ca ，送到放大器输入端的电压为

可得放大器输入电压的幅值 Uim 为

输入电压与作用力之间的相位差为 。 当 时，放大器输入电压幅值为 则放大器输入电压 Uim与频率无关。

sinm

a

dFU t

C

1 ( )a c i

j RU dF

j R C C C

2 2 21 ( )m

im

a c i

dF RU

R C C C

arctan ( )a c iC C C R

( ) 1a c iR C C C mim

a c i

dFU

C C C

5.3.4 压电式传感器的应用

压电式传感器具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、测量频率范围宽等优点。合理的设计能使它有较强的抗干扰能力，所以是一种应用较为广泛的测力传感器。但它不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态参数，因此目前多用于测量加速度和动态力或压力。

1. 压电式加速度传感器

微振动测试仪电路图

Q0 －传感器的电荷 C0 －传感器静电容 Ce －电缆静电容

2. 压电式测力传感器

压电式单向测力传感器结构图

晶片电子束焊接 上盖

绝缘套 基座电极

压电式压力传感器的结构 消除振动加速度影响的结构