传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第7章

第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器7.1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7.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器，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，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。第7章磁电式传感器7.1.1磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为BlvdtdxBldtde(7-1)式中:B——l——v——导体相对磁场的运动速度。第7章磁电式传感器当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：dtdWe根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图7-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。(7-2)第7章磁电式传感器图7-1（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，随被测体一起转动。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上齿数的乘积。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的场合。图7-1(a)开磁路；(b)闭磁路第7章磁电式传感器图7-1(b)为闭磁路变磁通式传感器，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应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。图7-1(a)开磁路；(b)闭磁路第7章磁电式传感器图7-1(a)开磁路；(b)闭磁路第7章磁电式传感器图7-1(a)开磁路；(b)闭磁路第7章磁电式传感器图7-2（a）动圈式；(b)动铁式第7章磁电式传感器磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图7-2（a））和动铁式（图7-2(b)）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，从而产生感应电势为第7章磁电式传感器vlWBe0(7-3)式中：B0——工作气隙磁感应强度；l——每匝线圈平均长度；W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；v——相对运动速度。第7章磁电式传感器7.1.2当测量电路接入磁电传感器电路时，如图7-3所示，磁电传感器的输出电流Io为fofoRRlWvBRREI（7-4)式中：Rf——测量电路输入电阻；R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为fooIRRlWBvIS（7-5)图7-3磁电式传感器测量电路第7章磁电式传感器而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为ffooUffofooRRlWRBvUSRRlWvRBRIU(7-6)(7-7)当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为RdRldlBdBSdSII(7-8)第7章磁电式传感器1.非线性误差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7-4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，将产生较大的感应电势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。当线圈的运动速度与图7-4所示方向相反时，感应电势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。第7章磁电式传感器图7-3磁电式传感器测量电路第7章磁电式传感器图7-4传感器电流的磁场效应第7章磁电式传感器2.温度误差当温度变化时，式（7-8）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每摄氏度的变化量决定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（7-8）可得近似值如下：Ct10%5.4第7章磁电式传感器这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。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。第7章磁电式传感器7.1.3磁电感应式传感器的测量电路图7-5磁电式传感器测量电路方框图第7章磁电式传感器7.1.41.动圈式振动速度传感器图7-6是动圈式振动速度传感器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆形外壳，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。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。因而，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。第7章磁电式传感器图7-6动圈式振动速度传感器第7章磁电式传感器加速度和速度传感器振动测量转子底座的振动可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输出经变送器接采集通道，输入到计算机中。第7章磁电式传感器2.图7-7是磁电式扭矩传感器的工作原理图。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。磁电传感器的结构见图7-8所示。传感器的检测元件部分由永久磁铁、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，其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。第7章磁电式传感器图7-7磁电式扭矩传感器工作原理图图7-8磁电式传感器结构图第7章磁电式传感器图7-8磁电式传感器结构图第7章磁电式传感器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。第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器•MotorDrivingandSpeedSensing第7章磁电式传感器IntelligentPowerDrill第7章磁电式传感器第7章磁电式传感器RA2/AN21RA3/AN3/Vref2RA4/T0CKI3MCLP/Vpp4Vss5RB0/INT6RB1/T1OSO/T1CKI7RB2/TIOSI8RB3/CCP19RB410RB511RB612RB713VDD14OSC2/CLKout15OSC1/CLKin16RA0/AN017RA1/AN118U116C712VCC1GND2OUT3U2HALLVCCSPEED10KVCCY120MC215PC115PQ1TRIACR21VCCVCCM1MOTORR5470C3470nF/400VC4470uF/35VD11N4734D21N4007LINEVCCR64.7KR1150R31KR41KR74.7KVCCR84.7KVCCC50.1uS1LINER10220KR1180KC8102Z11N4733VCCC7103C610uF/50VR9300YELLOWLEDR12300GREENLEDVCCC9103C10220uF/16VC11103C12103C13103SchematicofSpeedRegulation第7章磁电式传感器7.2霍尔式传感器7.2.11.霍尔效应置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。如图7-9所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fl的作用，fl图7-9霍尔效应原理图第7章磁电式传感器fl=eBv（7-9）式中：e——电子电荷；v——电子运动平均速度；B——磁场的磁感应强度。第7章磁电式传感器图7-9霍尔效应原理图第7章磁电式传感器fl的方向在图7-9中是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fl的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称霍尔电场，bUEHH（7-10）式中,UH为电位差。图7-9霍尔效应原理图第7章磁电式传感器霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即eEH=eBv（7-11）时，则EH=vB（7-12）此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。第7章磁电式传感器若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，mebdIv（7-13）将式（7-13）代入式（7-12）得nebdIBEH（7-14）将上式代入式（7-10）得nebIBUH（7-15）第7章磁电式传感器式中令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度,IBKdIBRUHHH（7-16）式中,KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（7-16）可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。第7章磁电式传感器霍尔元件激励极间电阻R=ρl/(bd)，同时R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因为μ=v/E,μ为电子迁移率），则nebdlbdk(7-17)解得RH=μρ(7-18)第7章磁电式传感器从式（7-18）可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N