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磁電式傳感器的動態(tài)特性5.3磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償5.4兩種測振傳感器5.5霍爾傳感器5.6其他磁敏傳感器..第5章磁電式傳感器5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式..1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)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，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。..磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器（Magne2當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場中時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dφ/dt有如下關(guān)系：根據(jù)以上原理，人們設(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，動鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動使氣隙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。5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式..當(dāng)一個(gè)W匝線圈相對靜止地處于隨時(shí)間變化的磁場3對圖5-1(a)結(jié)構(gòu)，設(shè)動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e為采用測頻或測幅的方法都可以測得鐵心的平均轉(zhuǎn)速。圖(b)通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可使感應(yīng)電勢e與振動速度成線性關(guān)系從而成為振動速度的度量。..對圖5-1(a)結(jié)構(gòu)，設(shè)動鐵心的恒定角速度為ω，線圈截面積為4圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）動圈式；(b)動鐵式..圖5-2恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖..5根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為式中:B——穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——導(dǎo)體有效長度；v——導(dǎo)體相對磁場的運(yùn)動速度。..根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿6磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，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)動部件可以是線圈（動圈式），也可以是磁鐵（動鐵式），動圈式（圖5-2（a））和動鐵式（圖5-2(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動部件質(zhì)量相對較大，當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運(yùn)動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為..磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙7式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l——每匝線圈平均長度；W——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù)；v——相對運(yùn)動速度。..式中：B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；..8....95.2磁電式傳感器的動態(tài)特性

如圖5-3所示系統(tǒng)，設(shè)x0和xm分別為振動物體和質(zhì)量塊的絕對位移，則質(zhì)量塊的相對位移xt為：由牛頓第二定律可得：振動體對質(zhì)量塊輸出xt的傳遞函數(shù)為：當(dāng)振動體作簡諧振動時(shí)，其頻率傳遞函數(shù)為：..5.2磁電式傳感器的動態(tài)特性由牛頓第二定律可得：振動10幅頻特性為相頻特性為——固有頻率——阻尼比..幅頻特性為相頻特性為——固有頻率——阻尼比..11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..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12(1)當(dāng)被測振動體的振動頻率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)被測體振動頻率遠(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。..(1)當(dāng)被測振動體的振動頻率ω低于傳感器的固有頻率ω0即(135.3磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償當(dāng)測量電路輸入電阻為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)..5.3磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償（5-13)式中：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干擾、受到機(jī)械振動或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測量誤差，其相對誤差為..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155.3.1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)傳感器線圈相對運(yùn)動的速度和方向改變時(shí)，由i產(chǎn)生的附加磁場的作用也隨之改變，從而使傳感器靈敏度隨被測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。..5.3.1非線性誤差..165.3.2溫度誤差溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長及導(dǎo)線電阻率的變化、磁阻的變化及磁導(dǎo)率的變化等。對銅導(dǎo)線，每攝氏度的變化量為：對第一類永磁材料。則有..5.3.2溫度誤差對第一類永磁材料。則有..175.3.3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時(shí)間放置所引起的時(shí)效。(2)溫度穩(wěn)定性(3)外磁場作用下的穩(wěn)定性(4)機(jī)械振動作用下的穩(wěn)定性..5.3.3永久磁鐵的穩(wěn)定性..185.4兩種測振傳感器5.4.1動鐵式振動傳感器..5.4兩種測振傳感器..195.4.2動圈式振動速度傳感器..5.4.2動圈式振動速度傳感器..205.5霍爾傳感器5.5.1霍爾元件及霍爾效應(yīng)當(dāng)測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霍爾傳感器..215.5.2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。（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)..225.5.2霍爾元件主要特性參數(shù)（4）不等位電勢Uo和不等位電阻ro無外磁場時(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稱為不等位電勢（5）寄生直流電勢UoD

（6）霍爾電勢溫度系數(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)的霍爾電勢的相對變化率。（7）工作溫度范圍..5.5.2霍爾元件主要特性參數(shù)..235.5.3不等位電勢和溫度誤差的補(bǔ)償1.不等位電勢的補(bǔ)償..5.5.3不等位電勢和溫度誤差的補(bǔ)償..242.溫度誤差及其補(bǔ)償..2.溫度誤差及其補(bǔ)償..255.5.4霍爾傳感器應(yīng)用1.微位移及機(jī)械振動測量..5.5.4霍爾傳感器應(yīng)用..26....27....282.無觸點(diǎn)發(fā)訊及轉(zhuǎn)速測量當(dāng)霍爾元件通以恒定的控制電流，且有磁體