第5章磁電式傳感器課件

第5章磁電式傳感器5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式5.2磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性5.3磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償5.4兩種測(cè)振傳感器5.5霍爾傳感器5.6其他磁敏傳感器..磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器（MagnetoelectricTransducer），是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。由于它輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），所以得到普遍應(yīng)用。磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器。..當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對(duì)靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：根據(jù)以上原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu)：變磁通式和恒磁通式。變磁通式又稱為磁阻式，圖5-1是變磁通式磁電傳感器，用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。其中永久磁鐵l(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動(dòng)鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動(dòng)使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式..對(duì)圖5-1(a)結(jié)構(gòu)，設(shè)動(dòng)鐵心的恒定角速度為ω，線圈截面積為A、磁路中最大與最小磁感應(yīng)電勢(shì)之差為B=Bmax-Bmin，則可得兩磁軛2上互相串聯(lián)的兩個(gè)線圈中的磁感應(yīng)電勢(shì)e為采用測(cè)頻或測(cè)幅的方法都可以測(cè)得鐵心的平均轉(zhuǎn)速。圖(b)通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可使感應(yīng)電勢(shì)e與振動(dòng)速度成線性關(guān)系從而成為振動(dòng)速度的度量。..圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動(dòng)圈式；(b)動(dòng)鐵式..根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)中，沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為式中:B——穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；v——導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。..磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式（圖5-2（a））和動(dòng)鐵式（圖5-2(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性很大，來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為..式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——每匝線圈平均長(zhǎng)度；W——線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；v——相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。....5.2磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性

如圖5-3所示系統(tǒng)，設(shè)x0和xm分別為振動(dòng)物體和質(zhì)量塊的絕對(duì)位移，則質(zhì)量塊的相對(duì)位移xt為：由牛頓第二定律可得：振動(dòng)體對(duì)質(zhì)量塊輸出xt的傳遞函數(shù)為：當(dāng)振動(dòng)體作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，其頻率傳遞函數(shù)為：..幅頻特性為相頻特性為——固有頻率——阻尼比..用網(wǎng)絡(luò)分析法可得傳感器的傳遞函數(shù)為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；為傳感器電阻抗；為負(fù)載阻抗；當(dāng)傳感器為電壓輸出時(shí)，負(fù)載阻抗ZL遠(yuǎn)大于線圈阻抗Ze，并呈電阻性，則有..(1)當(dāng)被測(cè)振動(dòng)體的振動(dòng)頻率ω低于傳感器的固有頻率ω0即(ω/ω0)＜l時(shí)，傳感器的靈敏度隨頻率變化而明顯地變化。(2)當(dāng)被測(cè)體振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率時(shí)，靈敏度接近為一常數(shù)，它基本上不隨頻率變化。在這—頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動(dòng)速度成正比。這一頻段即傳感器的工作頻段，或稱作頻響范圍。這時(shí)傳感器可看作是一個(gè)理想的速度傳感器。(3)當(dāng)頻率更高時(shí)，由于線圈阻抗的增加，靈敏度也將隨著頻率的增加而下降。..5.3磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償當(dāng)測(cè)量電路輸入電阻為RL，則傳感器的輸出電流為（5-13)式中：RL——測(cè)量電路輸入電阻；

R——線圈等效電阻。傳感器的電流靈敏度為（5-14)..而傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其相對(duì)誤差為..5.3.1非線性誤差產(chǎn)生非線性的主要原因是由于傳感器線圈電流i變化產(chǎn)生的附加磁通Φi迭加于永久磁鐵產(chǎn)生的氣隙磁通Φ上，使恒定的氣隙磁通變化。當(dāng)傳感器線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度和方向改變時(shí)，由i產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)的作用也隨之改變，從而使傳感器靈敏度隨被測(cè)速度的大小和方向的改變而變化。結(jié)果傳感器輸出的基波能量降低，諧波能量增加，傳感器靈敏度越高，非線性越嚴(yán)重。..5.3.2溫度誤差溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長(zhǎng)及導(dǎo)線電阻率的變化、磁阻的變化及磁導(dǎo)率的變化等。對(duì)銅導(dǎo)線，每攝氏度的變化量為：對(duì)第一類永磁材料。則有..5.3.3永久磁鐵的穩(wěn)定性(1)時(shí)間穩(wěn)定性這是指在室溫下長(zhǎng)時(shí)間放置所引起的時(shí)效。(2)溫度穩(wěn)定性(3)外磁場(chǎng)作用下的穩(wěn)定性(4)機(jī)械振動(dòng)作用下的穩(wěn)定性..5.4兩種測(cè)振傳感器5.4.1動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器..5.4.2動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器..5.5霍爾傳感器5.5.1霍爾元件及霍爾效應(yīng)當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖5-11所示，磁電傳感器的輸出電流Io為..5.5.2霍爾元件主要特性參數(shù)（1）乘積靈敏度KH單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所得到的開路(RL=∞)霍爾電勢(shì)。（2）額定控制電流Icm指空氣中的霍爾元件產(chǎn)生允許溫升時(shí)的控制電流。（3）輸入電阻Ri、輸出電阻Ro

Ri為霍爾元件兩電極電流之間的電阻，Ro為兩個(gè)霍爾電極之間的電阻。..5.5.2霍爾元件主要特性參數(shù)（4）不等位電勢(shì)Uo和不等位電阻ro無外磁場(chǎng)時(shí)霍爾元件在額定控制電流下，兩霍爾電極之間的開路電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)（5）寄生直流電勢(shì)UoD

（6）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化一度時(shí)的霍爾電勢(shì)的相對(duì)變化率。（7）工作溫度范圍..5.5.3不等位電勢(shì)和溫度誤差的補(bǔ)償1.不等位電勢(shì)的補(bǔ)償..2.溫度誤差及其補(bǔ)償..5.5.4霍爾傳感器