磁电式转速传感器测量原理分析

转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器，其常用类型有:光电式、电涡流式、磁阻式、霍尔式、电容式、接近开关式等。而磁阻式、电涡流式以及霍尔式转速传感器都是以电磁感应为基本原理来实现转速的测量，均属于磁电式转速传感器。磁电式转速传感器广泛应用于工业生产中，如电力、汽车、航空、纺织和石化等领域，用来测量和监控机械设备的转速参量，并以此来实现自动化管理和控制。因此，建立科学可靠的磁电式转速传感器校准方法成为计量工作的一项迫切要求。本文对磁电式转速传感器测量原理进行了阐述。

源或无源型磁电式转速传感器，其测量方式均为非接触式。磁阻式、电涡流式转速传感器感应测量对象为带有凸起或凹陷的磁性材料及导磁材料的被测物体，其工作原理如图1(a)所示，前者基于磁阻效应，后者基于电涡流效应。当测速轮旋转时，齿轮与传感器之间的间隙产生周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而传感器感应出周期变化的脉冲信号。霍尔式转速传感器需在旋转物体上安装磁体，用以改变传感器周围的磁场，这样传感器才能准确捕捉被测物体的运动状态，其工作原理如图1(b)所示，当传感器通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时产生霍尔电势并将其转换为交变电信号，由传感器内置电路将信号调整和放大并输出脉冲信号。

随着被测物体的转动，转速传感器输出与旋转速度相对应的脉冲信号(近似正弦波或矩形波)，通过计数仪表显示测量的转速值。

1、霍尔式传感器

(1) 霍尔传感器的特点

      霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。

(2) 霍尔传感器原理

      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。

         霍尔效应原理

 

霍尔电势可用下式表示:

霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

(3) 霍尔传感器的应用

维持I、q 不变，则EH=f（B），这方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等;

维持I、B不变，则EH=f（q），这方面的应用有角位移测量仪等。
      维持q 不变，则EH=f（IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。

(4) 霍尔传感器的选用注意事项

      1．磁场测量。如果要求被测磁场精度较高，如优于±0.5％，那么通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为5—10mv/100mT.温度误差可 忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。在被测磁场精度较低，体积要求不高。如精度低于±0.5％时，最好选用硅和锗雹尔元件

      2．电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较高时．选用砷化镓霍尔元件，精度不高时，可选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。

      3．转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时，通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑铟霍尔元件替代电机的电刷，提高了使用寿命。

      4．信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性。制造功率表、电度表等。

      5．拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的阵感器灵敏度和线性度更佳。

2、磁阻效应传感器

      磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。

 

  上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。

      磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。

      磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。

编辑：黄飞