生物醫(yī)學(xué)傳感-磁電式

§4-4磁電式傳感器壓阻式傳感器的工作原理壓阻效應(yīng)、晶面晶向的表示(密勒指數(shù)、方向余弦)01壓阻系數(shù)、阻值變化的計(jì)算縱、橫向壓阻系數(shù)的計(jì)算任意方向電阻條電阻變化的計(jì)算02測量電橋、溫度漂移及其補(bǔ)償03上次課內(nèi)容回顧電磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應(yīng)用。但是作為現(xiàn)代的傳感器，為了便于信號處理，需要磁傳感器能將磁信號轉(zhuǎn)化成為電信號輸出。應(yīng)用最早的是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的磁電式的傳感器。磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動式或感應(yīng)式傳感器，它只適合進(jìn)行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10～1000Hz。磁電式傳感器機(jī)械能電量一、工作原理磁電式傳感器的工作原理是以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的，即當(dāng)線圈在磁場中運(yùn)動時(shí)、線圈兩端感應(yīng)的電勢正比于穿過線圈的磁通變化率，其方向與磁通變化相反．即對于一個(gè)匝數(shù)為W的線圈，當(dāng)穿過診線圈的磁通Φ發(fā)生變化時(shí)，其感生電動勢e為線圈感生電動勢的大小，取決于匝數(shù)W和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動速度有關(guān)，如果改變其中任何一個(gè)因素，都會改變線圈的感生電動勢。此即磁電式傳感器所依據(jù)的工作原理。根據(jù)磁場中線圈的運(yùn)動方式不同，其感應(yīng)電勢的表示式也有所不同。1.線圈在磁場中作直線運(yùn)動式中B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

l——單匝線圈有效長度；

W——有效線圈匝數(shù)，指在均勻磁場內(nèi)參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；

v——線圈與磁場的相對運(yùn)動速度；

θ——線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角。永久磁鐵產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場，置于磁場中的線圈作直線運(yùn)動，這時(shí)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為此式說明：當(dāng)W，B，l均為常數(shù)時(shí)，感生電動勢的大小與線圈運(yùn)動的線速度成正比。這就是一般常見的絕對式磁電速度計(jì)的工作原理。當(dāng)θ=90?時(shí)，線圈運(yùn)動方向與磁場垂直時(shí)。上式可寫為令則S即為傳感器的靈敏度2.線圈在磁場中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動線圈在永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這時(shí)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為0102式中A——單匝線圈的截面積；ω——角頻率；從上可知，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)己定時(shí)，參數(shù)B、A、W、k均為常數(shù)，因此，感應(yīng)電勢e與線圈對磁場的相對運(yùn)動速度v或ω成正比，這就是動圈式磁電傳感器的工作原理。k——依賴于結(jié)構(gòu)的系數(shù)，k<1；當(dāng)線圈運(yùn)動方向與磁場方向垂直，θ=90o，則線圈中的感應(yīng)電勢為二、結(jié)構(gòu)類型磁電式恒磁通式變磁阻式變磁通動圈式動磁式N線速度型角速度型恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場運(yùn)動部件可以是線圈也可以是磁鐵。變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，轉(zhuǎn)動物體引起磁阻、磁通變化。01021.恒定磁通磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理動圈式結(jié)構(gòu)類型磁電感應(yīng)式傳感器恒磁通式在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、W、S均為定值，感應(yīng)電動勢e與線圈相對磁場的運(yùn)動速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量。動鐵式結(jié)構(gòu)類型磁電感應(yīng)式傳感器v永久磁鐵的磁力線從其一端穿過套筒、線圈骨架和螺管線圈，并經(jīng)過殼體回到磁鋼的另一端，構(gòu)成一個(gè)閉合磁路，當(dāng)傳感器受振時(shí)，線圈與永久磁鐵之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，線圈切割磁力線，使傳感器輸出正比于振動速度的電壓信號。2.變磁通磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理變磁通式又稱(變)磁阻式或變氣隙式，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。開磁路變磁通式傳感器工作原理：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。開磁路動鐵式變磁通式傳感器極掌永久磁鐵線圈鐵心

圖中橢圓形鐵心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使空氣氣隙時(shí)而變大，時(shí)而變小，從而使磁路系統(tǒng)的磁阻產(chǎn)生周期性的變化（則使磁通變化），這時(shí)固定在磁極上的線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

式中，A為線圈截面積，B=Bmax－Bmin，Bmax為最大磁通密度，而Bmin為最小磁通密度。同理，當(dāng)傳感器已定后，W、B、A均為常數(shù)。線圈中感應(yīng)電勢正比于鐵心運(yùn)動的角速度（2ω為變化頻率）。閉磁路變磁通式傳感器它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動，內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。三、磁電式傳感器基本特性當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖所示，磁電傳感器的輸出電流Io為磁電式傳感器測量電路式中：Rf——測量電路輸入電阻；R——線圈等效電阻。傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為傳感器的電流靈敏度為當(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。相對誤差為1.非線性誤差產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通φI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化,如圖所示。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運(yùn)動速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢e和較大的電流I，由此而產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。123654傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。結(jié)果是線圈運(yùn)動速度方向不同時(shí)，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加,即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。當(dāng)線圈的運(yùn)動速度與圖所示方向相反時(shí)，感應(yīng)電勢e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。補(bǔ)償線圈為補(bǔ)償附加磁場干擾，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈。補(bǔ)償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流。適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù)，可使其產(chǎn)生交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通相互抵消，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?.溫度誤差當(dāng)溫度變化時(shí)，上式中右邊三項(xiàng)都不為零，對銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由上式可得近似值如下：相對誤差溫度補(bǔ)償這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。四、磁電式傳感器的測量電路信號輸出測量電路直接輸出電動勢測量速度；接入積分電路測量位移；接入微分電路測量加速度。五、磁電感應(yīng)式傳感器的特點(diǎn)

磁電傳感器是目前振動測量中常用的一種測速傳感器。1、主要優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定、輸出阻抗低以及輸出信號在工作范圍內(nèi)與被測量有比例關(guān)系。其中，由于輸出阻抗低．降低了對絕緣和后續(xù)測量儀器的要求，使連接電纜的噪聲干擾也因此大為減小，這是它突出的優(yōu)點(diǎn)。其次，由于傳感器的輸出信號是正比于被測量的電壓信號，有利于直接放大指標(biāo)，如果要求指示出振動幅值和加速度，只要在放大器中附加適當(dāng)?shù)姆e分或微分電路就能方便地得到。

磁電式振動傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準(zhǔn)參考，可直接裝在被測體上。傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。磁電感應(yīng)式傳感器的特點(diǎn)傳感器中存在有容易磨損的部件、隨著使用時(shí)間的增加，其性能將發(fā)生變化，需要定期檢修．檢修后又要重新標(biāo)定，雖然質(zhì)量較好的傳感器的檢修周期可長達(dá)3000～5000h.但一般的傳感器只有幾百個(gè)小時(shí)。另外，磁電傳感器的工作溫度不高，普通的傳感器只能在120℃以下，即使采取了一些特殊措施的磁電傳感器，它的最高工作溫度也只有425℃。這就限制了這類傳感器在高溫環(huán)境中的應(yīng)用。磁電傳感器的高頻響應(yīng)也不夠好，在體積和重量方面也還比較笨重。2、主要缺點(diǎn)：磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動體上進(jìn)行測量，因而在地面振動測量及機(jī)載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。常用地測振傳感器有動鐵型振動傳感器、動圈型振動速度傳感器等。應(yīng)用：航空發(fā)動機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動臺、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監(jiān)測與研究都可使用磁電式傳感器。010203磁電式傳感器的應(yīng)用測振傳感器1、測速度、轉(zhuǎn)速、位移及振動動圈式動鐵式是一種基于電磁感應(yīng)定律的定量測量血流的儀器。一般是在血管暴露的情況下從血管外壁進(jìn)行測量。

將磁場垂直加于血流體上，由于血流導(dǎo)電，在流體中產(chǎn)生與血流和磁場方向都垂直的感應(yīng)電動勢，測量該感應(yīng)電動勢，E=BDv，式中B為磁感應(yīng)密度，D為電極間距離，v為血管截面上血流平均速度。由此得到的血流平均速度乘以血管截面積，即得到血流量。

當(dāng)扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1、u2存在相位差，相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感器可以將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。轉(zhuǎn)軸測量電路磁電傳感器1磁電傳感器2齒型轉(zhuǎn)盤u1u2

2、磁電式扭距傳感器

u

ωt3.動圈式傳