传感器第七章.

第7章磁电式传感器安农大经济技术学院2EXIT2020/1/77.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器第7章磁电式传感器安农大经济技术学院3EXIT2020/1/77.1磁电感应式传感器原理－－磁电感应式传感器又称电动式传感器,是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是典型的有源传感器。磁电式传感器机械能电量安农大经济技术学院4EXIT2020/1/7特点及应用－－输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10—100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。安农大经济技术学院5EXIT2020/1/7根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。一、磁电感应式传感器工作原理dtdNe安农大经济技术学院6EXIT2020/1/7如果线圈是N匝，磁场强度是B，每匝线圈的平均长度la，线圈相对磁场运动的速度为υ=dx/dt。则整个线圈中所产生的电动势为：deNNBSdtaaNBldtdxNBldtdNe线速度角速度安农大经济技术学院7EXIT2020/1/7恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。根据以上原理,可以设计成两种磁电传感器结构:变磁通式和恒磁通式。安农大经济技术学院8EXIT2020/1/7磁电感应式动圈式线速度型角速度型N恒磁通式变磁通式动铁式开磁路式闭磁路式安农大经济技术学院9EXIT2020/1/7动铁型动圈型恒磁通式：安农大经济技术学院10EXIT2020/1/7动圈式传感器线速度型线速度型角速度型测速电机安农大经济技术学院12EXIT2020/1/7动圈式工作原理当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动,振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势。安农大经济技术学院13EXIT2020/1/7安农大经济技术学院14EXIT2020/1/7动铁式和动圈式（的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动,振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势。动铁式工作原理安农大经济技术学院15EXIT2020/1/7（a）开磁路（b）闭磁路变磁通式传感器磁电式车速传感器安农大经济技术学院16EXIT2020/1/7安农大经济技术学院17EXIT2020/1/7变磁通式：安农大经济技术学院18EXIT2020/1/7图（a）为开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次,线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单,但输出信号较小,且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。安农大经济技术学院19EXIT2020/1/7图(b)为闭磁路变磁通式,它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成,内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时,外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动,内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化,从而引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。安农大经济技术学院20EXIT2020/1/7二、磁电感应式传感器基本特性aNBle式中:B——工作气隙磁感应强度;la——每匝线圈平均长度;N——线圈在工作气隙磁场中的匝数;v——相对运动速度。磁感应电动势安农大经济技术学院21EXIT2020/1/7指示器传感器图8.3　磁电式传感器测量等效电路0IfRRERf——测量电路输入电阻;R——线圈等效电阻。安农大经济技术学院22EXIT2020/1/7当测量电路接入磁电传感器电路中,磁电传感器的输出电流Io为ffRRLWvBRREI00（7-3）传感器的电流灵敏度为(7-4)fIRRLWBvIS0安农大经济技术学院23EXIT2020/1/7fffRRLWvRBRIU000ffURRLWRBvUS00(7-5)(7-6)安农大经济技术学院24EXIT2020/1/7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而产生测量误差。相对误差为RdRLdLBdBsdsII(7-7)安农大经济技术学院25EXIT2020/1/71.磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:由于传感器线圈内有电流I流过时,将产生一定的交变磁通ΦI,此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上,使恒定的气隙磁通变化如图7-3所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时,将产生较大的感生电势E和较大的电流I,由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反,减弱了工作磁场的作用,从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。三、磁电感应式传感器误差补偿安农大经济技术学院26EXIT2020/1/7图7-3传感器电流的磁场效应安农大经济技术学院27EXIT2020/1/7当线圈的运动速度与图7-3所示方向相反时,感生电势E、线圈感应电流反向,所产生的附加磁场方向与工作磁场同向,从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值,使传感器输出基波能量降低,谐波能量增加。即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高,线圈中电流越大,这种非线性越严重。安农大经济技术学院28EXIT2020/1/7误差补偿－－为补偿上述附加磁场干扰,可在传感器中加入补偿线圈,如图所示。补偿线圈通以经放大K倍的电流,适当选择补偿线圈参数,可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消,从而达到补偿的目的。安农大经济技术学院29EXIT2020/1/72.当温度变化时,式（7-7）中右边三项都不为零,对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2,dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金,dB/B≈-0.02×10-2,这样由式(7-7)可得近似值:γt≈(－4.5%)/10℃(7-8)这一数值是很可观的,所以需要进行温度补偿。安农大经济技术学院30EXIT2020/1/7温度误差补偿－－补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时,热磁分流器的磁导率显著下降,经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低,从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化,维持传感器灵敏度为常数。安农大经济技术学院31EXIT2020/1/7四、磁电感应式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。磁电式传感器是速度传感器。信号输出送测量电路•接入积分电路测量位移；•接入微分电路测量加速度。安农大经济技术学院32EXIT2020/1/7磁电感应式传感器测量电路方框图安农大经济技术学院33EXIT2020/1/7无源积分电路安农大经济技术学院34EXIT2020/1/7有源积分电路安农大经济技术学院35EXIT2020/1/7一个实用的有源积分电路安农大经济技术学院36EXIT2020/1/7无源微分电路安农大经济技术学院37EXIT2020/1/7基本有源微分电路安农大经济技术学院38EXIT2020/1/7实用有源微分电路安农大经济技术学院39EXIT2020/1/7电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：①动钢型（线圈与壳体固定）②动圈型（永久磁铁与壳固定）五、磁电感应式传感器的应用1.振动速度传感器安农大经济技术学院40EXIT2020/1/7动钢型动圈型安农大经济技术学院41EXIT2020/1/7图7-5是动圈式振动速度传感器结构示意图。其结构主要由钢制圆形外壳制成,里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体,永久磁铁中间有一小孔,穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环,芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。安农大经济技术学院42EXIT2020/1/7动圈式振动速度传感器安农大经济技术学院43EXIT2020/1/71－芯轴；2－外壳；3－弹簧片；4－铝支架；5－永久磁铁；6－线圈；7－阻尼环；8－引线安农大经济技术学院44EXIT2020/1/7磁铁与线圈之间相对运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势。0eBlNev工作时,传感器与被测物体刚性连接,当物体振动时,传感器外壳和永久磁铁随之振动,而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。安农大经济技术学院45EXIT2020/1/7磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数。若在测量电路中接入积分电路,则输出电势与位移成正比;若在测量电路中接入微分电路,则其输出与加速度成正比。安农大经济技术学院46EXIT2020/1/7磁电式振动传感器的特性：•磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。•传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。•速度传感器的输出电压正比于速度信号u∝v，便于直接放大。•输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。安农大经济技术学院47EXIT2020/1/72.安农大经济技术学院48EXIT2020/1/73.在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘,它们旁边装有相应的两个磁电传感器。安农大经济技术学院49EXIT2020/1/7磁电传感器的结构安农大经济技术学院50EXIT2020/1/7传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时,圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化,于是磁通量也发生变化,在线圈中感应出交流电压,其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。当扭矩作用在扭转轴上时,两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。7.2霍尔式传感器安农大经济技术学院52EXIT2020/1/7霍尔效应和霍尔元件材料霍尔元件构造及测量电路霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的补偿电路霍尔式传感器的应用举例霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。安农大经济技术学院53EXIT2020/1/7霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。安农大经济技术学院54EXIT2020/1/7霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点：结构简单、体积小、