傳感器技術(shù)5-磁電式傳感器-中英對(duì)照

第5章磁電式傳感器

MagnetoelectricSensors第5章磁電式傳感器基本原理和結(jié)構(gòu)型式Basicprinciplesandstructures5.1動(dòng)態(tài)特性Dynamiccharacteristics5.2霍爾傳感器Hallsensors5.5誤差及補(bǔ)償Errorsandcompensation5.3磁電式傳感器的應(yīng)用Applicationsofmagnetoelectricsensors5.4第5章磁電式傳感器

磁電式傳感器(magnetoelectricsensors)是利用電磁感應(yīng)(electromagneticinduction)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度(speedofmovement)變換成感應(yīng)電勢(inducedelectricpotential)輸出的傳感器。它不需要輔助電源(auxiliarypower)，就能把被測對(duì)象的機(jī)械能(mechanicalenergy)轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號(hào)，是一種自源(selfpowered)傳感器。磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動(dòng)式(electrodynamic)或感應(yīng)式(inductive)傳感器，它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量(dynamicmeasurement)

。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位(zeropoint)及性能穩(wěn)定；工作頻帶(workingbandwidth)一般為10～1000Hz。第一節(jié)基本原理和結(jié)構(gòu)型式5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換(two-waytransform)特性，利用其逆轉(zhuǎn)換(inversetransform)效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器(electromagneticvibrationexciter)等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律(lawofelectromagneticinduction)，當(dāng)W匝線圈(coilofWturns)在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通(magneticflux)為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(inducedelectricalpotential)e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：(5-1)根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成變磁通式(variablemagneticflux)和恒磁通式(constantmagneticflux)兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度(linearvelocity)或角速度(angularvelocity)的磁電式傳感器。圖5-1所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動(dòng)速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu)。圖5-1

變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型（變磁））；(b)平移型（變氣隙）5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式其中永久磁鐵(permanentmagnet)1(俗稱“磁鋼steelmagnet”)與線圈(coil)4均固定，動(dòng)鐵心3(銜鐵)(armature)的運(yùn)動(dòng)使氣隙(airgap)5和磁路磁阻(reluctanceofmagneticcircuit)變化，引起磁通(flux)變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(inducedelectricpotential)，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)(variablereluctancestructure)。

在恒磁通式結(jié)構(gòu)(constantmagneticfluxstructure)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)(relativemovement)——線圈切割磁力線(linesofmagneticforce)而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如圖5-2所示。5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式

圖5-2恒磁通式結(jié)構(gòu)

(a)動(dòng)圈式(movingcoil)；(b)動(dòng)鐵式(movingarmature)

5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式圖5-2中的磁路系統(tǒng)由圓柱形(cylindrical)永久磁鐵和極掌(palm)、圓筒形磁軛(magneticyoke)及空氣隙(airgap)組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架(barrelframe)上，經(jīng)膜片彈簧(diaphragmspring)懸掛于氣隙磁場中。

當(dāng)線圈與磁鐵間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)(relativemovement)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(inducedpotential)

e為(5-3)式中

B——?dú)庀洞磐芏?magneticfluxdensity)(T)；

l——?dú)庀洞艌鲋杏行г褦?shù)為W的線圈總長度(m)l＝la·W(la為每匝線圈的平均長度)

v——線圈與磁鐵沿軸線方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(ms-1)。5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式(5-3)中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢e僅與相對(duì)速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為

為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積(magneticenergyproduct)較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度(magneticfluxdensity)B；增加ｌa和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻(internalresistance)及工作頻率等因素的限制。為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場(uniformmagneticfield)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。

(5-4)5.1基本原理與結(jié)構(gòu)形式

課本117頁圖5-3是圖5-2所示傳感器的二階系統(tǒng)(secondordersystem)力學(xué)模型(mechanicalmodel)

，設(shè)和分別為振動(dòng)物體和質(zhì)量塊的絕對(duì)位移(absolutedisplacement)，則它們之間的相對(duì)位移(relativedisplacement)為：(5-6)由牛頓第二定律可得質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方程為：(5-5)振動(dòng)體輸入相對(duì)于質(zhì)量塊輸出的傳遞函數(shù)為：(5-7)5.2磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性第二節(jié)磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)振動(dòng)體作簡諧振動(dòng)(simpleharmonicoscillation)時(shí)，即當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波(sinewave)時(shí)，其頻率傳遞函數(shù)為：(5-9)所以幅頻特性為：(5-8)相頻特性為：(5-10)其中為固有頻率(characteristicfrequency)；為阻尼比(dampingratio)。5.2磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性課本圖5-4給出了磁電式傳感器的頻響特性。為了更深入得研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性，可以用網(wǎng)絡(luò)分析法(networkanalysismethod)導(dǎo)出傳感器的傳遞函數(shù)：(5-11)(5-12)式中：為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；為傳感器電阻抗（線圈阻抗）；為負(fù)載阻抗。當(dāng)傳感器為電壓輸出時(shí)，負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于線圈阻抗，并呈電阻性，于是式(5-11)簡化成5.2磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性

由式(5-12)和圖5-4可以看出(見圖5-5)：

(1).當(dāng)被測振動(dòng)體的振動(dòng)頻率低于傳感器的固有頻率，即

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(dòng)頻率(vibrationfreq.)遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率(inherentfreq./characteristicfreq.)時(shí)，靈敏度接近為一常數(shù)，它基本上不隨頻率變化。在這一頻率范圍內(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(operatingfrequencyrange)，或稱作頻響范圍(frequencyrange)。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(coilimpedance)的增加，靈敏度也將隨著頻率的增加而下降。

必須指出，以上是對(duì)慣性式(inertia)磁電傳感器而言的。對(duì)于動(dòng)圈與測桿相固連的直接式磁電傳感器，其上限工作頻率取決于傳感器的彈簧彈性系數(shù)(coefficientofelasticity)k值。一般說來，直接式傳感器頻響范圍可從零到幾百赫茲，高至10千赫茲。5.2磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性一.非線性誤差(errorofnonlinearity)

磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是，由于傳感器線圈輸出電流i變化產(chǎn)生的附加磁通(additionalflux)Φi疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的氣隙磁通(airgapflux)

Φ之上，使恒定的氣隙磁通變化。當(dāng)傳感器的線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度和方向改變時(shí)，附加磁場的作用也隨之改變，從而使傳感器的靈敏度隨被測速度的大小和方向的改變而變化。顯然，傳感器的靈敏度越高，線圈中的電流越大，這種非線性將越嚴(yán)重。為補(bǔ)償附加磁場的干擾，可以在傳感器中加入補(bǔ)償線圈(compensationcoil)。適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈的參數(shù)，可以使其產(chǎn)生的交變磁通(alternatingflux)與傳感器線圈本身產(chǎn)生的交變磁通互相抵消。見圖5-2(a)氣隙磁場不均勻(nonuniformity)也是造成傳感器非線性誤差的原因之一。見圖5-7第三節(jié)磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償5.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償二.溫度誤差(erroroftemperature)

溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長(lengthofcoilwires)的變化，導(dǎo)線電阻率(electricresistivity)的變化、磁阻(reluctance)的變化以及磁導(dǎo)率(magneticconductivity)的變化。有時(shí)候溫度變化帶來的相對(duì)誤差是可觀的，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通常采用熱磁補(bǔ)償合金(thermalmagnetismcompensationalloy)來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，保證氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(magneticfluxdensity)

B不隨溫度而變化。三.永久磁鐵的穩(wěn)定性(stabilityofpermanentmagnet)

永久磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性。為了保證磁電式傳感器的精度和可靠性，一般采取如下幾種穩(wěn)磁(magneticstabilization)處理措施。 （1）時(shí)間穩(wěn)定性(timestability)；

矯頑力(coercivity)越高、尺寸比(sizeproportion)越大越穩(wěn)定。為了在使用過程中保持穩(wěn)定，用少量交流強(qiáng)制退磁(demagnetization)的辦法可以獲得良好的效果。5.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償三.永久磁鐵的穩(wěn)定性(stabilityofpermanentmagnet)

（2）溫度穩(wěn)定性(temperaturestability)； 為了使傳感器能在非室溫條件下使用，必須進(jìn)行高低溫時(shí)效(ageing)穩(wěn)磁處理，實(shí)際上就是對(duì)永磁材料及磁路內(nèi)各材料進(jìn)行溫度沖擊(temperatureimpact)。經(jīng)過這種處理后，雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的數(shù)值減小了，但隨溫度的變化也減小了。 （3）外磁場作用下的穩(wěn)定性(stabilityunderexternalfield)； 傳感器工作環(huán)境中會(huì)有一些外磁場源，如變壓器、通電線圈等。而且充磁后的永磁體在存放、運(yùn)輸和裝配過程中，總是處在永磁體互相產(chǎn)生的磁場中。為使其能長期穩(wěn)定工作，應(yīng)進(jìn)行”人工老化(artificialageing)“，即選一個(gè)比工作過程中遇到的最大干擾磁場大數(shù)倍的交流磁場作用到永磁體上，強(qiáng)迫其工作點(diǎn)穩(wěn)定下來，從而增強(qiáng)抗外磁場干擾的能力。 為了防止永磁體與鐵磁性物質(zhì)接觸而引起磁性能減小，應(yīng)該用非磁性材料(nonmagneticmaterial)制成的防護(hù)把它屏蔽起來。屏蔽材料(shieldmaterial)通常用塑料和黃銅(brass)。5.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償三.永久磁鐵的穩(wěn)定性 （4）機(jī)械振動(dòng)作用下的穩(wěn)定性(stabilityundermechanicalvibration)；

沖擊(shock)和振動(dòng)(vibration)都能引起永久磁鐵的退磁(demagnetization)。由沖擊、振動(dòng)而引起的退磁程度和永磁體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。一般將充磁后的永久磁鐵按一定技術(shù)要求先經(jīng)受約千次的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，振動(dòng)和沖擊值取今后工作中可能遇到的最大。5.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償一.測振傳感器(vibrationsensor)

磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座(stillbase)作為參考基準(zhǔn)(reference)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測量，因而在地面振動(dòng)測量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。常用的測振傳感器有動(dòng)鐵式(movingarmature)振動(dòng)傳感器（圖5-9）、動(dòng)圈式(movingcoil)振動(dòng)速度傳感器（圖5-10）等。第四節(jié)磁電式傳感器的應(yīng)用5.3磁電式傳感器的應(yīng)用第5章磁電式傳感器(一).測振傳感器的應(yīng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動(dòng)監(jiān)測與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測振傳感器的工作特性由圖5-3可知，振動(dòng)傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性(絕對(duì))式測振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。這樣，在較高振動(dòng)頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對(duì)大地靜止。這時(shí)，振動(dòng)體(同傳感器殼體)相對(duì)質(zhì)量塊的位移y(輸出)就可真實(shí)地反映振動(dòng)體相對(duì)大地的振幅x(輸入)。第5章磁電式傳感器二.磁電式力發(fā)生器與激振器(vibrationexciter)

前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換(two-waytransform)特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量(mechanicalquantity)。在慣性儀器(inertiainstrument)——陀螺儀(gyroscope)與加速度計(jì)(accelerationmeter)中廣泛應(yīng)用的動(dòng)圈式或動(dòng)鐵式直流力矩器(DCtorquer)就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中是非常重要的設(shè)備，用以獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如共振頻率(resonantfreq.)、剛度(rigidity)、阻尼(damping)、振動(dòng)部件的振型(modeofvibration)等。除上述應(yīng)用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測量。

式中：為霍爾系數(shù)；為元件的控制電流。5.5霍爾傳感器一.霍爾效應(yīng)(Halleffect)1879年美國物理學(xué)家E.H.Hall首先發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。如課本圖5-11模型所示，當(dāng)在長方形半導(dǎo)體片的長度方向通以直流(DC)電流I時(shí),若在其厚度方向存在一磁場B,那么在該半導(dǎo)體片的寬度方向就會(huì)產(chǎn)生電位差UH，此即霍爾效應(yīng)。

把式(5-20)改寫為(5-20)式中：稱為霍爾元件的靈敏度(5-21)5.5霍爾傳感器一.霍爾元件的主要特性參數(shù)（1）乘積靈敏度(productsensitivity):即單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所得到的開路霍爾電勢。

（2）額定控制電流(ratedcontrolcurrent):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和輸出電阻Ro:Ri為霍爾元件兩電流電極之間的電阻，Ro為兩個(gè)霍爾電極之間的電阻。