《电磁传感器原理与应用》课件

电磁传感器原理与应用电磁传感器技术进展与现代工业发展息息相关课程概述课程目标学习内容掌握电磁传感器基本原理电磁传感器类型及应用领域考核方式第一章电磁传感器基础基础理论工作机制电磁场基本原理能量转换过程法拉第感应定律电磁信号检测方法应用领域工业自动化医疗设备智能家居传感器定义

1.1基本概念工程重要性能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的装工业自动化的关键组件置数据采集的前端设备实现物理量、化学量转换为电信号的装置控制系统的感知来源电磁传感器分类

1.2工作原理分类应用领域分类磁电式工业自动化12霍尔效应式汽车电子电磁感应式医疗器械测量对象分类输出信号形式位移传感器模拟量输出43速度传感器数字量输出电流传感器开关量输出电磁传感器基本特性

1.3静态特性动态特性•灵敏度•响应时间•线性度•频率响应•迟滞•阶跃响应•重复性•相位延迟•零点漂移•过渡过程电磁传感器性能指标

1.4灵敏度输出量变化与输入量变化的比值线性度特性曲线与理想直线的偏离程度分辨率能够检测的最小变化量精确度测量值与真实值的接近程度第二章电磁感应原理应用发电机、变压器、传感器原理法拉第电磁感应定律和楞次定律基础电磁场理论和麦克斯韦方程组电磁感应定律

2.1法拉第定律感应电动势等于磁通量变化率的负值公式表达ε=-dΦ/dt楞次定律感应电流方向阻碍磁通量的变化磁场基本概念

2.2磁感应强度表征磁场强弱的物理量，单位为特斯拉T磁通量穿过某一面积的磁感应线条数，单位为韦伯Wb磁场强度与材料无关的磁场量，单位为安米/A/m磁路分析

2.3磁路等效电路类比电路分析方法磁阻概念磁路中对磁通的阻碍作用磁路计算应用欧姆定律求解磁通量电磁转换原理

2.4电能磁能电流产生磁场磁场储存能量循环利用转换能量形式不断转换磁场变化产生电动势第三章霍尔效应传感器187910-1001μT发现年份灵敏度范围最小检测限埃德温霍尔发现霍尔效应量级的输出灵敏度高精度霍尔元件检测限·mV/mT霍尔效应原理

3.1物理机制霍尔电压公式带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用VH=I×B/n×e×t电荷在半导体两侧积累形成电势差电流，磁感应强度I B载流子浓度，电子电荷n e材料厚度t霍尔元件结构

3.2半导体材料主要选择砷化镓、锑化铟等高迁移率材料通过半导体薄膜沉积和微电子工艺制作霍尔传感器类型

3.3开关型霍尔传感器线性霍尔传感器集成型霍尔传感器磁场达到阈值输出开关信号输出电压与磁场强度成比例内含信号处理电路广泛应用于位置检测和计数适用于精确测量磁场变化具有温度补偿和数字接口霍尔传感器应用

3.4应用领域具体用途优势位置检测限位开关、接近开关非接触、可靠性高速度测量转速传感器、车轮速响应快、寿命长度电流检测电流表、过流保护电气隔离、线性好第四章磁电式传感器磁电式传感器原理

4.1变磁通原理恒磁通原理感应电动势通过改变磁通量产生感应电动势通过感应电流保持磁通量不变电动势大小与磁通变化率成正比磁电式传感器结构

4.2永磁体线圈系统铁芯结构提供稳定磁场，常用钕感应电动势的关键部导磁材料，增强磁场强铁硼、铁氧体等材料件，通常为多匝铜线度，引导磁力线磁电式传感器类型

4.3速度传感器加速度传感器位移传感器输出电压与速度成正比输出信号与加速度相关检测物体位置变化常用于测量转速、振动应用于振动分析、冲击测试线性范围宽，精度高磁电式传感器应用

4.4振动测量地震检测工业设备故障诊断地震波形记录结构健康监测早期预警系统工业自动化位置反馈控制速度测量与监控第五章电磁式传感器发展初期数字化时代简单结构，模拟输出集成信号处理，智能化发展1234技术成熟未来趋势多种结构形式，应用广泛微型化，高精度，网络化电磁式传感器原理

5.1电磁感应原理涡流效应导体在变化磁场中产生电动势变化磁场在导体中产生涡流输出信号与磁通变化率成正比涡流产生的磁场与原磁场相互作用通过检测涡流变化获取信息电磁式传感器结构

5.2励磁线圈产生变化磁场的电源部分检测线圈感应电动势并输出信号磁芯结构集中和引导磁力线屏蔽装置防止外部磁场干扰电磁式传感器类型

5.3差动变压器式传感器电涡流式传感器电磁流量计原边线圈励磁，副边线圈感应利用涡流阻抗效应基于法拉第定律输出电压与位移成比例检测导电体位置和特性测量导电液体流量电磁式传感器应用

5.4厚度测量缺陷检测金属板材厚度检测金属构件裂纹探测涂层厚度监控焊缝质量检查位移测量流量测量机床进给系统工业液体流量监测液压缸位置反馈水处理设施流量控制第六章磁阻式传感器基本原理材料电阻随磁场变化的特性关键技术磁阻材料与微电子加工工艺应用领域硬盘读头、电子罗盘、位置检测未来发展高灵敏度、低功耗、多功能集成磁阻效应原理

6.1各向异性磁阻效应巨磁阻效应AMR GMR材料电阻随电流方向与磁化方向夹角变化铁磁非磁性多层膜结构/磁阻变化率约电阻变化率可达2-5%20-50%获得诺贝尔物理学奖的重要发现磁阻式传感器结构

6.2磁阻材料镍铁合金、铁钴合金、多层膜结构制造工艺薄膜沉积、光刻、刻蚀等微电子工艺磁阻元件排列惠斯通电桥结构提高灵敏度和抗干扰能力集成电路信号调理、温度补偿、数字接口集成磁阻式传感器类型

6.319911997传感器传感器AMR GMR商业化最早，结构简单灵敏度高，应用于硬盘读头2004传感器TMR隧道磁阻效应，灵敏度最高磁阻式传感器应用

6.4磁场测量角度检测地磁场探测、弱磁场测量旋转角度测量、方向识别电子罗盘存储设备智能手机定位导航硬盘读取头、磁存储技术第七章电磁传感器信号处理信号调理信号采集放大、滤波、补偿传感器原始信号获取模数转换数字化处理前准备数据传输数字处理有线或无线方式输出4滤波、校准、分析信号调理电路

7.1放大电路滤波电路温度补偿增益可调的运算放大器带通滤波去除干扰热敏电阻检测温度提高信噪比与分辨率低通滤波平滑信号自动校正温漂误差模数转换

7.2原理ADC将连续模拟量转换为离散数字量采样定理采样频率应大于信号最高频率的二倍量化误差有限分辨率导致的近似误差类型ADC逐次逼近型、型Sigma-Delta数字信号处理

7.3数字滤波FIR滤波器设计IIR滤波器实现自适应滤波技术傅里叶变换FFT频谱分析谐波分析频域特征提取小波分析时频域联合分析多分辨率特性非平稳信号处理模式识别特征提取技术分类算法应用异常检测方法智能传感器

7.4网络互联物联网集成与远程监控智能分析自诊断与故障预测自校准技术自动补偿与零点调整微处理器集成4信号处理与数据存储第八章电磁传感器在工业自动化中的应用位置和速度检测

8.1旋转编码器线性位移传感器速度传感器测量角位移和角速度测量直线运动位置检测线速度和转速应用于伺服电机控制常用于液压缸位置反馈用于传送带监控精度可达度测量范围可达数米响应时间短，稳定性好

0.1工业过程控制

8.2机器人技术

8.3关节角度检测监测机器人关节位置与运动力和扭矩传感测量机械臂施加的力与力矩接近传感器检测工件存在与防碰撞视觉系统结合电磁传感器进行精确定位质量检测和无损检测

8.4金属探测器1食品行业异物检测安全检查设备涡流探伤2金属表面缺陷检测管道壁厚测量磁粉探伤3表面及近表面裂纹检测焊缝质量检验电磁超声检测4无接触超声波产生高温环境材料检测第九章电磁传感器在汽车电子中的应用亿70+25%120应用点位年增长率市场规模现代汽车中的电磁传感器数量汽车电磁传感器市场增速全球汽车电磁传感器市场（元）发动机管理系统

9.1曲轴位置传感器凸轮轴位置传感器节气门位置传感器监测曲轴转速与位置监测气门正时检测节气门开度点火时刻和燃油喷射控制可变气门正时控制精确控制空燃比车身控制系统

9.2车轮速度传感器方向盘角度传感器系统基础元件电子稳定系统输入ABS提供车速信息转向辅助功能泊车辅助传感器加速度传感器障碍物检测碰撞检测自动泊车系统车身姿态监测安全系统

9.3安全气囊传感器1碰撞检测与气囊触发座椅占用传感器检测乘客存在与体重防盗系统传感器门锁状态监测与钥匙识别新能源汽车应用

9.4电机转速传感器监测电机转速与转向精确控制电机性能电池管理系统传感器电流监测与温度检测电池状态评估与保护充电系统传感器充电状态监测充电过程安全保障能量回收系统制动强度检测回收效率最大化第十章电磁传感器在消费电子中的应用智能手机

10.1电子罗盘接近传感器指纹识别基于磁阻传感器的导航通话时自动关闭屏幕结合电磁技术的安全验应用证无线充电基于电磁感应的充电技术智能家居

10.2智能锁磁力传感器检测门窗状态安防系统电磁传感器监测入侵行为家电控制电磁阀和传感器控制水电气环境监测融合电磁技术的多功能传感器可穿戴设备

10.3心率监测姿态检测手势识别基于电磁感应原理磁阻传感器监测运动多轴磁场传感器检测血液流动变化健身活动追踪实现空间手势操作游戏和虚拟现实

10.4动作捕捉力反馈设备电磁传感器阵列电磁制动器产生阻力精确跟踪用户动作提供触觉反馈定位追踪VR/AR磁场定位系统头显与控制器空间定位第十一章电磁传感器在医疗领域的应用医学成像生命体征监测医疗机器人磁共振成像技术无创心电监测精确导航系统高清晰度断层扫描呼吸频率检测微创手术控制医学成像

11.1磁共振成像（）磁力显微镜MRI利用强磁场与射频脉冲检测样品微弱磁场变化检测人体内氢原子共振信号纳米级分辨率提供高分辨率软组织图像用于生物样本分析无辐射损伤细胞磁性研究生物磁测量

11.2心磁图记录心脏产生的微弱磁场脑磁图捕捉大脑神经元活动产生的磁信号医疗设备

11.3输液泵流量控制1电磁流量传感器精确药物剂量控制呼吸监测2胸腔电磁阻抗测量无创连续监测呼吸血糖检测3电磁谐振技术无针无创检测体温监测4无线温度传感器连续实时监测医疗机器人

11.4手术导航电磁定位系统引导手术器械康复训练设备电磁传感器监测肢体运动辅助诊断系统多传感器融合技术提高诊断准确性第十二章电磁传感器的发展趋势人工智能融合智能算法提升传感器性能网络化与物联网2传感器组网与远程监控集成化3多功能传感器芯片微型化4纳米级传感器制造微型化和集成化

12.1技术MEMS微机电系统加工工艺微纳米制造亚微米级结构制造片上系统传感、处理、通信一体化低功耗设计能量收集与高效管理智能化和网络化

12.2物联网应用传感器节点组网云端数据分析人工智能融合边缘计算能力自学习算法嵌入自供能技术能量收集与存储无需外部电源未来展望量子传感技术柔性可穿戴传感器。