磁電式傳感器

1、第五章 磁電式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器, 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（101000 Hz）, 所以得到普遍應(yīng)用。 1定義 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。 直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，是有源傳感器。2第一節(jié) 磁電感應(yīng)式傳感器一、類型及其工作原理電磁感應(yīng)定律N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小取決于穿過線圈的磁通

2、的變化率，即3 當(dāng)線圈的導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間做相對(duì)切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由此可設(shè)計(jì)一類恒磁通式磁電傳感器。用于測(cè)量振動(dòng)及線速度。NSLve4（一）恒定磁通式動(dòng)圈式動(dòng)鐵式5 恒磁通式磁電傳感器由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。 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（a）和動(dòng)鐵式（ (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)

3、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 6特點(diǎn)： 1、磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)。氣隙不變，磁通不變。 2、磁鐵與線圈之間相對(duì)切割磁力線運(yùn)動(dòng)。 線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為式中: B工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度; 每匝線圈平均長(zhǎng)度; 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。 7（二）變磁通式 又稱為變磁阻式或變氣隙式，常用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。開磁路變磁通式8 開磁路變磁通式: 線圈、 磁鐵靜止不動(dòng), 測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上, 隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒, 齒的凹凸引起磁路

4、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(shì),其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪齒數(shù)的乘積。當(dāng)齒輪的齒數(shù)Z確定以后，若能測(cè)出f就可求出轉(zhuǎn)速n(n60fz)。 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)小，轉(zhuǎn)速高時(shí)信號(hào)失真也大，在振動(dòng)強(qiáng)或轉(zhuǎn)速高的場(chǎng)合，往往采用閉磁路。9閉磁路變磁通式變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高10 閉磁路變磁通式, 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(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí), 外齒輪不動(dòng), 內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng), 內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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)生周期性變化的感生電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電

5、勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。 11二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.工作氣隙2永久磁鐵 使永久磁鐵盡可能工作在最大磁能積上。3線圈組件 在高精度傳感器中，線圈磁場(chǎng)效應(yīng)不能忽略，采用補(bǔ)償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。12三、 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1. 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器13工作原理 傳感器與被測(cè)物體剛性連接, 當(dāng)物體振動(dòng)時(shí), 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng), 而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。 因而, 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),線圈的輸出通過引線輸出到測(cè)量電路。該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)。14（二）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器15（三）磁電式扭矩傳感器 扭矩的電測(cè)技術(shù)主要

6、是通過傳感器把扭矩這個(gè)機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相位、然后用相位計(jì)來測(cè)量相位，從而達(dá)到測(cè)量扭矩的目的。16 系統(tǒng)為開磁路變磁通系統(tǒng)。要求齒形圓盤制作完全一致。 （1）當(dāng)扭距為0時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2完全一致，（同頻、同相、同幅）相位差為0。 （2）當(dāng)有扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí), 兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個(gè)相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。 這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。 1718第二節(jié) 霍爾式傳感器一、工作原理1. 霍爾效應(yīng) 將半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)B中，在薄片控制電極通以電流I，在輸出電極產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH。此現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)。19電子在磁場(chǎng)中受洛

7、倫茲力作用（右手螺旋定則）bIdUHfEvfl電子向極板一方偏轉(zhuǎn)，積累電子。一邊積累電子，另一邊積累正電荷，形成電場(chǎng)。其中E為電場(chǎng)強(qiáng)度20正負(fù)電極之間形成電勢(shì)為霍爾電勢(shì)。21 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng), 則RH值大, 因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。 一般金屬材料載流子遷移率很高, 但電阻率很小; 而絕緣材料電阻率極高, 但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。 22(二)霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成a, b兩根引線，稱為控制電流端引線c, d兩根引線，稱為霍爾輸出引線霍爾元件符號(hào)23 基本電路 RW調(diào)節(jié)控制電流的大小

8、。RL為負(fù)載電阻，可以勢(shì)放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻。霍爾效應(yīng)建立的時(shí)間極短（10-1210-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。24 二、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償 產(chǎn)生誤差的原因：一是制作工藝、制作水平的限制。二是外界溫度的影響。 （1）不等位電勢(shì)U0及其補(bǔ)償 B=0，I0，UH=U0 0。 U0為不等位電勢(shì)。 產(chǎn)生原因： 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上; 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻; 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 25兩電極電不在同一等電位面上等電位面歪斜26不等位電勢(shì)補(bǔ)償方法：可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。 272.

9、寄生直流電勢(shì)原因：由于元件的兩對(duì)電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng)，兩個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。28 （二） 霍爾元件溫度誤差及補(bǔ)償 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的, 因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí), 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。 291.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻補(bǔ)償思想30 溫度 時(shí)，元件靈敏度系數(shù)為 ,輸入電阻為 ，溫度為t時(shí)，他們分別為 ，因?yàn)橐虼?1溫度為t時(shí)溫度 時(shí)為了使霍爾電勢(shì)不隨溫度而變化，必須保證32將有關(guān)式代入可得通常霍爾元件的靈敏度溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于元件的

10、電阻溫度系數(shù)，因此332合理選取負(fù)載電阻 的阻值使得343采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻4采用溫度補(bǔ)償元件(如熱敏電阻、電阻絲等)35365霍爾元件不等位電勢(shì) 的溫度補(bǔ)償37三、 霍爾式傳感器的應(yīng)用（一） 霍爾式位移傳感器霍爾元件處于中間位置位移x=0時(shí)，由于B=0，所以UH=0霍爾元件右移, x0，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度B向左,B0， UH0 霍爾元件左移，x0，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度B向右,B0，UH0。38(二)霍爾式壓力傳感器39第三節(jié) 磁柵式傳感器 磁柵式傳感器主要由磁柵和磁頭組成。磁柵上錄有等間距的磁信號(hào)，利用磁帶錄音的原 理將等節(jié)距的周期變化的電信號(hào)用錄磁的方法記錄在磁性尺子或圓盤上而制成的。裝有

11、磁柵 傳感器的儀器或裝置工作時(shí)，磁頭相對(duì)于磁柵將占有一定的相對(duì)位置或相對(duì)位移，在這個(gè)過 程中，磁頭把磁柵上的磁信號(hào)讀出來，這樣就把被測(cè)位置或位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。40一、磁柵(一)磁柵的結(jié)構(gòu)41(二)磁柵的類型 磁柵分為長(zhǎng)磁柵和圓磁柵兩大類，前者用于測(cè)量直線位移，后者用于測(cè)量角位移。42長(zhǎng)磁柵43圓磁柵二、磁頭 磁柵上的磁信號(hào)由讀取磁頭讀出，按讀取信號(hào)方式的不同，磁頭可分為動(dòng)態(tài)磁頭與靜態(tài)磁頭。44（一）動(dòng)態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)讀出信號(hào)磁頭與磁尺間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才有信號(hào)輸出。45(二)靜態(tài)磁頭 調(diào)制式磁頭，又稱磁通響應(yīng)式磁頭，磁頭磁柵之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下也有信號(hào)輸出。1讀出原理-氣隙磁阻-鐵心磁阻46勵(lì)磁電壓變化一個(gè)周期，鐵心飽合兩次， 變化兩個(gè)周期。因此可近似認(rèn)為在磁柵不動(dòng)的情況下 為一常量，輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：漏磁通 是磁柵位置的周期函數(shù)。磁柵與磁頭相對(duì)移動(dòng)一節(jié)距W， 就變化一個(gè)周期。因此 近似為：47結(jié)論：靜態(tài)磁頭的磁柵是利用它的漏磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的。靜態(tài)磁頭輸出信號(hào)的頻率為勵(lì)磁電源頻率的兩倍，其幅值則與磁柵磁頭相對(duì)位移成正弦(或余弦)關(guān)系。482靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)舉例49偶次諧波的消除50三、信號(hào)處理方式(一)鑒幅方式兩個(gè)磁頭的輸出：經(jīng)檢波器去