第5章磁电式传感器课件

第5章磁电式传感器5.1基本原理与结构型式5.2磁电式传感器的动态特性5.3磁电式传感器的误差与补偿5.4两种测振传感器5.5霍尔传感器5.6其他磁敏传感器..磁电感应式传感器又称磁电式传感器（MagnetoelectricTransducer），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，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器。..当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图5-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。其中永久磁铁l(俗称“磁钢”)与线圈4均固定，动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势。5.1基本原理与结构型式..对图5-1(a)结构，设动铁心的恒定角速度为ω，线圈截面积为A、磁路中最大与最小磁感应电势之差为B=Bmax-Bmin，则可得两磁轭2上互相串联的两个线圈中的磁感应电势e为采用测频或测幅的方法都可以测得铁心的平均转速。图(b)通过适当的设计可使感应电势e与振动速度成线性关系从而成为振动速度的度量。..图5-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式..根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；l——导体有效长度；v——导体相对磁场的运动速度。..磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图5-2（a））和动铁式（图5-2(b)）的工作原理是完全相同的。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，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，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，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势为..式中：B0——工作气隙磁感应强度；l——每匝线圈平均长度；W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；v——相对运动速度。....5.2磁电式传感器的动态特性

如图5-3所示系统，设x0和xm分别为振动物体和质量块的绝对位移，则质量块的相对位移xt为：由牛顿第二定律可得：振动体对质量块输出xt的传递函数为：当振动体作简谐振动时，其频率传递函数为：..幅频特性为相频特性为——固有频率——阻尼比..用网络分析法可得传感器的传递函数为气隙磁感应强度；为传感器电阻抗；为负载阻抗；当传感器为电压输出时，负载阻抗ZL远大于线圈阻抗Ze，并呈电阻性，则有..(1)当被测振动体的振动频率ω低于传感器的固有频率ω0即(ω/ω0)＜l时，传感器的灵敏度随频率变化而明显地变化。(2)当被测体振动频率远高于传感器的固有频率时，灵敏度接近为一常数，它基本上不随频率变化。在这—频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比。这一频段即传感器的工作频段，或称作频响范围。这时传感器可看作是一个理想的速度传感器。(3)当频率更高时，由于线圈阻抗的增加，灵敏度也将随着频率的增加而下降。..5.3磁电式传感器的误差与补偿当测量电路输入电阻为RL，则传感器的输出电流为（5-13)式中：RL——测量电路输入电阻；

R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为（5-14)..而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为..5.3.1非线性误差产生非线性的主要原因是由于传感器线圈电流i变化产生的附加磁通Φi迭加于永久磁铁产生的气隙磁通Φ上，使恒定的气隙磁通变化。当传感器线圈相对运动的速度和方向改变时，由i产生的附加磁场的作用也随之改变，从而使传感器灵敏度随被测速度的大小和方向的改变而变化。结果传感器输出的基波能量降低，谐波能量增加，传感器灵敏度越高，非线性越严重。..5.3.2温度误差温度的变化将导致线圈匝长及导线电阻率的变化、磁阻的变化及磁导率的变化等。对铜导线，每摄氏度的变化量为：对第一类永磁材料。则有..5.3.3永久磁铁的稳定性(1)时间稳定性这是指在室温下长时间放置所引起的时效。(2)温度稳定性(3)外磁场作用下的稳定性(4)机械振动作用下的稳定性..5.4两种测振传感器5.4.1动铁式振动传感器..5.4.2动圈式振动速度传感器..5.5霍尔传感器5.5.1霍尔元件及霍尔效应当测量电路接入磁电传感器电路时，如图5-11所示，磁电传感器的输出电流Io为..5.5.2霍尔元件主要特性参数（1）乘积灵敏度KH单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路(RL=∞)霍尔电势。（2）额定控制电流Icm指空气中的霍尔元件产生允许温升时的控制电流。（3）输入电阻Ri、输出电阻Ro

Ri为霍尔元件两电极电流之间的电阻，Ro为两个霍尔电极之间的电阻。..5.5.2霍尔元件主要特性参数（4）不等位电势Uo和不等位电阻ro无外磁场时霍尔元件在额定控制电流下，两霍尔电极之间的开路电势称为不等位电势（5）寄生直流电势UoD

（6）霍尔电势温度系数在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化一度时的霍尔电势的相对变化率。（7）工作温度范围..5.5.3不等位电势和温度误差的补偿1.不等位电势的补偿..2.温度误差及其补偿..5.5.4霍尔传感器