磁電式傳感器【精制材料】

1、第五章,磁電式傳感器 Magnetoelectric sensor,1,行業(yè)相關(guān),應(yīng)用實(shí)例：,2,行業(yè)相關(guān),磁電式傳感器Magnetoelectric sensor,磁電式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器。,不需輔助電源，是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器、有源傳感器。,3,行業(yè)相關(guān),主要內(nèi)容 基本原理與結(jié)構(gòu)型式 磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性 磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償 磁電式傳感器的應(yīng)用 霍爾傳感器 其他磁敏傳感器,磁電式傳感器Magnetoelectric sensor,4,行業(yè)相關(guān),5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)型式,基本原理：,電磁感應(yīng)定律：,當(dāng)W匝

2、線圈在恒磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系：,5,行業(yè)相關(guān),動(dòng)鐵式,動(dòng)圈式,磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,磁電式,恒磁通式,變磁通式（變磁阻式）,線速度型,角速度型,5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)型式,因此磁電式傳感器的分類：,6,行業(yè)相關(guān),5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)型式,結(jié)構(gòu)型式：變磁通式和恒磁通式,（1）變磁通式(變磁阻式)：旋轉(zhuǎn)型和平移型,e=-AWBcos(2)t,7,行業(yè)相關(guān),5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)型式,（2）恒磁通式：動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式,e=Bl v,8,行業(yè)相關(guān),5.2 磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特

3、性,可以把圖5-2所示的測(cè)振傳感器等效為一個(gè)集中參數(shù)“m-k-c”的二階系統(tǒng)，如圖5-3。 慣性式傳感器： 測(cè)量物體振動(dòng)時(shí)，傳感器殼體與振動(dòng)體剛性固連，隨被測(cè)體一起振動(dòng)。 質(zhì)量塊質(zhì)量m較大，彈簧彈性系數(shù)k較小，被測(cè)體振動(dòng)頻率足夠高。 振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，彈簧的變形量接近等于被測(cè)體的振幅。,9,行業(yè)相關(guān),5.2 磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性,慣性式磁電傳感器測(cè)振動(dòng)特性： 當(dāng)被測(cè)體的振動(dòng)頻率低于傳感器的固有頻率0，即/ 03，靈敏度接近為一常數(shù)，傳感器輸出電壓與振動(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)傳感器可看作一個(gè)理想的速度傳感器。 當(dāng)頻率更高時(shí)，靈敏度隨頻率的增加而下降

4、。,一般慣性式傳感器固有頻率0=10Hz，較好的可做到0=4.5Hz。上限頻率為200Hz1000Hz。,10,行業(yè)相關(guān),磁電式傳感器的特點(diǎn)：,零位及性能穩(wěn)定。 工作頻帶101000Hz。 具有雙向轉(zhuǎn)換功能，可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器。,應(yīng)用實(shí)例,被測(cè)對(duì)象：,動(dòng)態(tài)被測(cè)量，如速度，加速度、振動(dòng),輸出信號(hào)：,電壓信號(hào)輸出，且輸出功率大，故配用電路較簡(jiǎn)單。,11,行業(yè)相關(guān),5.3 磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償Error and compensation,非線性誤差 溫度誤差 永久磁鐵的穩(wěn)定性,12,行業(yè)相關(guān),非線性誤差Nonlinearity error,產(chǎn)生誤差的主要原因及其補(bǔ)償措施： 由于傳感

5、器線圈電流變化產(chǎn)生的附加磁通疊加于永久磁鐵產(chǎn)上的氣隙磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。（見圖5-6） 措施：加補(bǔ)償線圈（見圖5-2(a)） 氣隙磁場(chǎng)不均勻。 措施：加反向磁片（見圖5-7）,13,行業(yè)相關(guān),2. 溫度誤差Temperature error,溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長(zhǎng)以及導(dǎo)線電阻率的變化，磁阻的變化以及磁導(dǎo)率的變化等。 措施：熱磁溫度補(bǔ)償（見圖5-8）,14,行業(yè)相關(guān),3. 永久磁鐵的穩(wěn)定性Stablity of permanent magnet,當(dāng)測(cè)量電路的輸入電阻RfR時(shí)，永久磁鐵的穩(wěn)定性將成為誤差的決定因素。因?yàn)橛谰么盆F的磁通量密度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁通量密度的穩(wěn)定性。

6、幾種穩(wěn)磁處理措施： 時(shí)間穩(wěn)定性 交流強(qiáng)制退磁，“小電流老化”或叫做去“虛磁”。 溫度穩(wěn)定性 高低溫時(shí)效穩(wěn)磁處理。 外磁場(chǎng)作用下的穩(wěn)定性 “人工老化”或采取屏蔽措施。 機(jī)械振動(dòng)作用下的穩(wěn)定性 沖擊、振動(dòng)試驗(yàn),15,行業(yè)相關(guān),5.4 磁電式傳感器的應(yīng)用,測(cè)振傳感器 （1）動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器（見圖5-10） （2）動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器（見圖5-11） 磁電式力發(fā)生器與激振器 磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出為機(jī)械量。（見圖5-12） 磁電式激振器特點(diǎn)：（與壓電激振器比較） 振動(dòng)幅度大 振動(dòng)頻率較低,16,行業(yè)相關(guān),應(yīng)用實(shí)例：,現(xiàn)有非導(dǎo)磁圓盤如圖所示，想用磁電式傳

7、感器測(cè)量 該圓盤的平均轉(zhuǎn)速，問(wèn)： (1)如何安裝、設(shè)計(jì)磁電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)？ (2)畫出傳感器輸出電壓波形。 (3)畫出測(cè)量系統(tǒng)電路功能框圖。 (4)寫出平均轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。 ？思考題： (1)如何在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨力？ (2)如何從設(shè)計(jì)原理上提高測(cè)量精度？,17,行業(yè)相關(guān),答案示例： (1)磁電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)安裝圖：,(2)傳感器輸出電壓u的波形：,18,行業(yè)相關(guān),(3)測(cè)量系統(tǒng)電路框圖：,被測(cè)對(duì)象,磁電傳感器,信號(hào)調(diào)理電路,計(jì)數(shù)器,在設(shè)定時(shí)間T（秒）內(nèi)，對(duì)傳感器輸出正脈沖或負(fù)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)N，設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上安裝a個(gè)磁片，則待測(cè)平均轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）：,(4)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法：

8、,n=60(N/a)/T=60N/(aT) （轉(zhuǎn)/分）,19,行業(yè)相關(guān),在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨力的方法是增加磁片的個(gè)數(shù)，減小脈沖間的對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，提高轉(zhuǎn)動(dòng)角度的分辨能力，以提高轉(zhuǎn)速測(cè)量分辨力。,思考題 (1): 如何在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨力？,結(jié)論：,20,行業(yè)相關(guān),增加磁片數(shù)a或增大設(shè)定計(jì)數(shù)時(shí)間T， 以提高測(cè)量精度。,分析：,可見，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過(guò)程中，多計(jì)或少計(jì)一個(gè)脈沖所引起的誤差決定了測(cè)量精度。由n=N/(aT)(r/s) ，可得n=1/(aT)。,結(jié)論：,思考題 (2): 如何從設(shè)計(jì)原理上提高測(cè)量精度？,21,行業(yè)相關(guān),22,行業(yè)相關(guān),23,行業(yè)相關(guān),24,行業(yè)相關(guān),

9、25,行業(yè)相關(guān),26,行業(yè)相關(guān),27,行業(yè)相關(guān),28,行業(yè)相關(guān),等效為,29,行業(yè)相關(guān),30,行業(yè)相關(guān),5.5 霍爾傳感器Hall sensor,應(yīng)用實(shí)例：,31,行業(yè)相關(guān),霍爾效應(yīng),霍爾效應(yīng)與霍爾元件,霍爾電勢(shì)產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用的結(jié)果。,霍爾效應(yīng)：將一載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在與磁場(chǎng)和電流兩者垂直方向上將會(huì)出現(xiàn)橫向電勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。,5.5 霍爾傳感器Hall sensor,32,行業(yè)相關(guān),霍爾電勢(shì),霍爾元件的形狀 用來(lái)制造霍爾元件的半導(dǎo)體片，幾何形狀對(duì)輸出的霍爾電勢(shì)也有一定的影響，,5.5 霍爾傳感器Hal

10、l sensor,33,行業(yè)相關(guān),霍爾元件的主要特性： 額定激勵(lì)電流IH：通常定義使霍爾片溫升100C時(shí)所施加的電流值為額定激勵(lì)電流IH。 不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償：當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，元件通以額定激勵(lì)電流IH時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)，或者叫零位電勢(shì)。,溫度特性及其補(bǔ)償,5.5 霍爾傳感器Hall sensor,34,行業(yè)相關(guān),霍爾式傳感器的應(yīng)用 測(cè)量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等 測(cè)量交、直流電流、電壓等參數(shù) 微位移測(cè)量,其他物理量測(cè)量：霍爾式鋼絲繩斷絲檢測(cè)。,5.5 霍爾傳感器Hall sensor,35,行業(yè)相關(guān),霍爾式接近開關(guān),當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。,36,行業(yè)相關(guān),霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示,n,=,60,f,4,(r/min),軟鐵分流翼片,開關(guān)型霍爾IC,T,37,行業(yè)相關(guān),5.6 其他磁敏傳感器,磁敏電阻器 磁敏效應(yīng)：將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，其電阻