磁电式传感器

1、磁电式传感器基本概念：磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。工作原理：磁电式传感器是基于电磁感应原理 ，通过磁电相互作用将被测量 （如振动、位 移、 转速等）转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电动式传感器。根据电磁 感应定律，N匝线圈中的感应电动势。感应电动势的大小由磁通的变化率决定。磁通量协的 变化可以通过很多办法来实现：如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻变化；恒定磁场中 线圈面积变化等。因此可以制造出不同类型的磁电式传感器。磁电式传感器是一种机一电能量变换型传感器，不需要

2、供电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有 一定的频率响应范围，适合于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。 恒定磁通磁电式传感器由永久磁铁 （磁钢）、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。系统产生 恒定直流磁场，磁路中工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。它们的运动部件可以是线圈， 又可分为圈式或动铁式两种结构类型。恒磁通磁电式传感器结构原理图磁铁与传感器壳体固定，线圈和金属骨架（合称线圈组件）用柔软弹簧支承。线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生 的电磁阻尼。动圈式和动铁式的工作原理是完全相

3、同的，当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时, 运动部件的惯性很大， 来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度。线圈与磁铁间相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度成正比的感应电动势，线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；工作气隙中磁感应强度；每匝线圈的平均长度。这类传感器的基型是速度传感器，能直接测量线速度。因为速度与位移和加速度之间有内在的联系，即它们之间存在着积分或微分关系。因此，如果在感应电动势的测量电路中接入一积分电路，则它的

4、输出就与位移成正比；如果在测量电路中接人一微分电路，则它的输出就与运动的加速度成正比。这 样，这类磁电式传感器就可以用来测量运动的位移或加速度。工作特性：磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的无源传感器。输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在10 100HZ适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，它不仅用于磁感应强度 有功功率及电能参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用 分类情况：（狭义）1.变磁通式和恒磁通式变磁通式：开路变磁通式和闭路变磁通式31事火醴挟*3感

5、应規圈：4测让齿轮I 一內齿轮f $外齿轮F 7 转）ffl 7 1变議通式繼电传巒覇姑构图U）开繼路；b）团直粥恒磁通式：动圈式磁电传感器（角速度型和线速度型）和动铁式磁电传感器动铁式滋电感血亿感器（广义）2.一般分为两种：（1）磁电感应式（2）霍尔式磁电感应式磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定 ,具有一定的工作带宽 （101000 Hz ）,所以得到普遍应用。利用霍尔效应霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场

6、通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差， 这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应应使用左手定则判断。? = ? ；技术参数传感器测量范围（kHz）感应对象检测距离（mm应用场合磁敏传感器010铁、电工钢0.5 1.5速度、位移磁电传感器50 5000Hz电工钢0.5 1速度霍尔传感器010磁铁15速度、位移光电传感器010自然光、红外光115速度、位移接近开关0200Hz金属15速度、位移7-1常用国产霍尔元件的技术卷數舒号HZ-1SWZ 2 4!H2-3BHZ4 S.HT-J 址；LHT-tSHS-11GtH佻“G

7、t00)InSb斶hkiAi(1 * cmsu0. Ahl% Z, 5Cl103-0. 01o. waf osMl几何尺寸mm1BX4X0.28X1J1!)24.20i.atK120T DnL&r).O7OxO05D.0C5Cd W3电 HigV1502K1W1W额足住电血AmA j10152S502503O0zoo绫表单位HZ-1 51HZ-3SHZT須HT-暂HI吨取jHS-1 BH (NA)Gf(nnGt(IH)CeGinInSbInShIniAs鬟怎电aUV0.轴買0.04X0.03H-1.5S-L5S内用*嵐慕世9,5%0.5KL5Ha摒-o.诙 Or 55*(1&r/w0.4Q.Z

8、50l!oa107V 404$_40 T5如何选择磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的无源传感器。输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。 传感器尺寸大、重。霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，它不仅用于磁感应强度 有功功率及电能参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用。实现乘法运算，构成各种非线 性运算部件，输出信号的信噪比大，频率范围宽：直流数百千

9、赫兹。安装使用 磁电感应式传感器的应用：1. 动圈式振动速度传感器如图是动圈式振动速度传感器结构示意图。其结构主要由钢制圆形外壳制成，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。76543图7-5动圈式振动速度传感器工作时，传感器与被测物体刚性连接 ，当物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之 振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数 ，若在测量电路中接入积

10、分电路 ，则输出电势与位移成正比； 若在测量电路中接入微分电路 ，则其输出与加速度成正比。2. 磁电式扭矩传感器如图是磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图所示。传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压U1和U2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩

11、引起的扭转角转换成相位差的电信号。恿电楼膳器 2i磴电传感翻S 7 -6堂电式塑矩恃揺脖工年原理團霍尔传感器的应用:盅尔传感器的应用霍尔转速传感器在被测转速的转轴上安裳一个齿盘，也可选取机械系统中的 一个齿轮将线惟型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘.齿盘的转动 使磁路的磁阻随气咸的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的褫 小脉冲倍号经隔直.放大、箍形后可以确定被测物的转速.I I3.盧尔机械振动传感器1 一密乐元件；2平板(菲磁性材料)；3顶杆；4-点：5外壳；6TS系 蜿池点4与被测对彖接揺个爼件随被测 休做枫械撮动密尔元件输出的犠尔电动 势可反映出被测振动的頻率和幅度。必须关注的问题当传感器的工作温

12、度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。1.非线性误差磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流 I流过时，将产生一定的交变磁通 I,此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感生电势E和较大的电流I,由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。为补偿上述附加磁场 干扰，可在传感器中加入补偿线圈，如图7 - 2(a)所示。 补偿线圈通以经放大 K倍的电流，适当选择补偿线圈参数，可

13、使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通 互相抵消，从而达到补偿的目的。Ve)图7-22.温度误差恒磁通式磁电传感器结构原理图(a)动式* (b)动铁式ds / =dB dL dR1B L R当温度变化时，式中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量dL/L沁0.167 X 10dR/R 0.43 X 10 -2 , dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久 磁合金,dB/B -0.02 X 10-2,这样由式(7 - 7) 可得近似值：Yt 沁(-4.5%)/10 C3. 霍尔传感器的选用注意事项1) 磁场测量。如果被测磁场精度较高，如优于0.5%那么通常选用砷化镓霍尔元件， 其灵敏度高，约为 5-10mv /100mT。温度误差可以忽略不计，且材料性能好，可以 做的体积较小。在被测磁场精度较低，体积要求不高时，最好选用硅化锗霍尔元件。2) 电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较高时，选用砷化镓霍尔 元件，精度不高时，可以选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。3) 转速和脉冲测量。测量