传感器技术5-磁电式传感器-中英对照

第5章磁电式传感器

MagnetoelectricSensors第5章磁电式传感器基本原理和结构型式Basicprinciplesandstructures5.1动态特性Dynamiccharacteristics5.2霍尔传感器Hallsensors5.5误差及补偿Errorsandcompensation5.3磁电式传感器的应用Applicationsofmagnetoelectricsensors5.4第5章磁电式传感器

磁电式传感器(magnetoelectricsensors)是利用电磁感应(electromagneticinduction)原理，将输入运动速度(speedofmovement)变换成感应电势(inducedelectricpotential)输出的传感器。它不需要辅助电源(auxiliarypower)，就能把被测对象的机械能(mechanicalenergy)转换成易于测量的电信号，是一种自源(selfpowered)传感器。磁电式传感器有时也称作电动式(electrodynamic)或感应式(inductive)传感器，它只适合进行动态测量(dynamicmeasurement)

。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位(zeropoint)及性能稳定；工作频带(workingbandwidth)一般为10～1000Hz。第一节基本原理和结构型式5.1基本原理与结构形式磁电式传感器具有双向转换(two-waytransform)特性，利用其逆转换(inversetransform)效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器(electromagneticvibrationexciter)等。根据电磁感应定律(lawofelectromagneticinduction)，当W匝线圈(coilofWturns)在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通(magneticflux)为Φ，则线圈内的感应电势(inducedelectricalpotential)e与磁通变化率dΦ/dt有如下关系：(5-1)根据这一原理，可以设计成变磁通式(variablemagneticflux)和恒磁通式(constantmagneticflux)两种结构型式，构成测量线速度(linearvelocity)或角速度(angularvelocity)的磁电式传感器。图5-1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。图5-1

变磁通式结构(a)旋转型（变磁））；(b)平移型（变气隙）5.1基本原理与结构形式其中永久磁铁(permanentmagnet)1(俗称“磁钢steelmagnet”)与线圈(coil)4均固定，动铁心3(衔铁)(armature)的运动使气隙(airgap)5和磁路磁阻(reluctanceofmagneticcircuit)变化，引起磁通(flux)变化而在线圈中产生感应电势(inducedelectricpotential)，因此又称变磁阻式结构(variablereluctancestructure)。

在恒磁通式结构(constantmagneticfluxstructure)中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动(relativemovement)——线圈切割磁力线(linesofmagneticforce)而产生。这类结构有两种，如图5-2所示。5.1基本原理与结构形式

图5-2恒磁通式结构

(a)动圈式(movingcoil)；(b)动铁式(movingarmature)

5.1基本原理与结构形式图5-2中的磁路系统由圆柱形(cylindrical)永久磁铁和极掌(palm)、圆筒形磁轭(magneticyoke)及空气隙(airgap)组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架(barrelframe)上，经膜片弹簧(diaphragmspring)悬挂于气隙磁场中。

当线圈与磁铁间有相对运动(relativemovement)时，线圈中产生的感应电势(inducedpotential)

e为(5-3)式中

B——气隙磁通密度(magneticfluxdensity)(T)；

l——气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)l＝la·W(la为每匝线圈的平均长度)

v——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。5.1基本原理与结构形式当传感器的结构确定后，式(5-3)中B、la、W都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为

为提高灵敏度，应选用具有磁能积(magneticenergyproduct)较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度(magneticfluxdensity)B；增加ｌa和W也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻(internalresistance)及工作频率等因素的限制。为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场(uniformmagneticfield)内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。

(5-4)5.1基本原理与结构形式

课本117页图5-3是图5-2所示传感器的二阶系统(secondordersystem)力学模型(mechanicalmodel)

，设和分别为振动物体和质量块的绝对位移(absolutedisplacement)，则它们之间的相对位移(relativedisplacement)为：(5-6)由牛顿第二定律可得质量块的运动方程为：(5-5)振动体输入相对于质量块输出的传递函数为：(5-7)5.2磁电式传感器的动态特性第二节磁电式传感器的动态特性当振动体作简谐振动(simpleharmonicoscillation)时，即当输入信号为正弦波(sinewave)时，其频率传递函数为：(5-9)所以幅频特性为：(5-8)相频特性为：(5-10)其中为固有频率(characteristicfrequency)；为阻尼比(dampingratio)。5.2磁电式传感器的动态特性课本图5-4给出了磁电式传感器的频响特性。为了更深入得研究传感器的动态特性，可以用网络分析法(networkanalysismethod)导出传感器的传递函数：(5-11)(5-12)式中：为气隙磁感应强度；为传感器电阻抗（线圈阻抗）；为负载阻抗。当传感器为电压输出时，负载阻抗远大于线圈阻抗，并呈电阻性，于是式(5-11)简化成5.2磁电式传感器的动态特性

由式(5-12)和图5-4可以看出(见图5-5)：

(1).当被测振动体的振动频率低于传感器的固有频率，即

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(vibrationfreq.)远高于传感器的固有频率(inherentfreq./characteristicfreq.)时，灵敏度接近为一常数，它基本上不随频率变化。在这一频率范围内，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(operatingfrequencyrange)，或称作频响范围(frequencyrange)。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(coilimpedance)的增加，灵敏度也将随着频率的增加而下降。

必须指出，以上是对惯性式(inertia)磁电传感器而言的。对于动圈与测杆相固连的直接式磁电传感器，其上限工作频率取决于传感器的弹簧弹性系数(coefficientofelasticity)k值。一般说来，直接式传感器频响范围可从零到几百赫兹，高至10千赫兹。5.2磁电式传感器的动态特性一.非线性误差(errorofnonlinearity)

磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是，由于传感器线圈输出电流i变化产生的附加磁通(additionalflux)Φi叠加在永久磁铁产生的气隙磁通(airgapflux)

Φ之上，使恒定的气隙磁通变化。当传感器的线圈相对运动的速度和方向改变时，附加磁场的作用也随之改变，从而使传感器的灵敏度随被测速度的大小和方向的改变而变化。显然，传感器的灵敏度越高，线圈中的电流越大，这种非线性将越严重。为补偿附加磁场的干扰，可以在传感器中加入补偿线圈(compensationcoil)。适当选择补偿线圈的参数，可以使其产生的交变磁通(alternatingflux)与传感器线圈本身产生的交变磁通互相抵消。见图5-2(a)气隙磁场不均匀(nonuniformity)也是造成传感器非线性误差的原因之一。见图5-7第三节磁电式传感器的误差及补偿5.3磁电式传感器的误差及补偿二.温度误差(erroroftemperature)

温度的变化将导致线圈匝长(lengthofcoilwires)的变化，导线电阻率(electricresistivity)的变化、磁阻(reluctance)的变化以及磁导率(magneticconductivity)的变化。有时候温度变化带来的相对误差是可观的，需要进行温度补偿。通常采用热磁补偿合金(thermalmagnetismcompensationalloy)来实现补偿，保证气隙磁感应强度(magneticfluxdensity)

B不随温度而变化。三.永久磁铁的稳定性(stabilityofpermanentmagnet)

永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中磁感应强度的稳定性。为了保证磁电式传感器的精度和可靠性，一般采取如下几种稳磁(magneticstabilization)处理措施。 （1）时间稳定性(timestability)；

矫顽力(coercivity)越高、尺寸比(sizeproportion)越大越稳定。为了在使用过程中保持稳定，用少量交流强制退磁(demagnetization)的办法可以获得良好的效果。5.3磁电式传感器的误差及补偿三.永久磁铁的稳定性(stabilityofpermanentmagnet)

（2）温度稳定性(temperaturestability)； 为了使传感器能在非室温条件下使用，必须进行高低温时效(ageing)稳磁处理，实际上就是对永磁材料及磁路内各材料进行温度冲击(temperatureimpact)。经过这种处理后，虽然磁感应强度Bm的数值减小了，但随温度的变化也减小了。 （3）外磁场作用下的稳定性(stabilityunderexternalfield)； 传感器工作环境中会有一些外磁场源，如变压器、通电线圈等。而且充磁后的永磁体在存放、运输和装配过程中，总是处在永磁体互相产生的磁场中。为使其能长期稳定工作，应进行”人工老化(artificialageing)“，即选一个比工作过程中遇到的最大干扰磁场大数倍的交流磁场作用到永磁体上，强迫其工作点稳定下来，从而增强抗外磁场干扰的能力。 为了防止永磁体与铁磁性物质接触而引起磁性能减小，应该用非磁性材料(nonmagneticmaterial)制成的防护把它屏蔽起来。屏蔽材料(shieldmaterial)通常用塑料和黄铜(brass)。5.3磁电式传感器的误差及补偿三.永久磁铁的稳定性 （4）机械振动作用下的稳定性(stabilityundermechanicalvibration)；

冲击(shock)和振动(vibration)都能引起永久磁铁的退磁(demagnetization)。由冲击、振动而引起的退磁程度和永磁体内部的结构有密切关系。一般将充磁后的永久磁铁按一定技术要求先经受约千次的振动和冲击试验，振动和冲击值取今后工作中可能遇到的最大。5.3磁电式传感器的误差及补偿一.测振传感器(vibrationsensor)

磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座(stillbase)作为参考基准(reference)，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。常用的测振传感器有动铁式(movingarmature)振动传感器（图5-9）、动圈式(movingcoil)振动速度传感器（图5-10）等。第四节磁电式传感器的应用5.3磁电式传感器的应用第5章磁电式传感器(一).测振传感器的应用航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。(二).测振传感器的工作特性由图5-3可知，振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器，要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。这样，在较高振动频率下，由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时，振动体(同传感器壳体)相对质量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的振幅x(输入)。第5章磁电式传感器二.磁电式力发生器与激振器(vibrationexciter)

前已指出磁电式传感器具有双向转换(two-waytransform)特性，其逆向功能同样可以利用。如果给速度传感器的线圈输入电量，那么其输出量即为机械量(mechanicalquantity)。在惯性仪器(inertiainstrument)——陀螺仪(gyroscope)与加速度计(accelerationmeter)中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器(DCtorquer)就是上述速度传感器的逆向应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备，用以获取机械结构的动态参数，如共振频率(resonantfreq.)、刚度(rigidity)、阻尼(damping)、振动部件的振型(modeofvibration)等。除上述应用外，磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。

式中：为霍尔系数；为元件的控制电流。5.5霍尔传感器一.霍尔效应(Halleffect)1879年美国物理学家E.H.Hall首先发现了霍尔效应。如课本图5-11模型所示，当在长方形半导体片的长度方向通以直流(DC)电流I时,若在其厚度方向存在一磁场B,那么在该半导体片的宽度方向就会产生电位差UH，此即霍尔效应。

把式(5-20)改写为(5-20)式中：称为霍尔元件的灵敏度(5-21)5.5霍尔传感器一.霍尔元件的主要特性参数（1）乘积灵敏度(productsensitivity):即单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍尔电势。

（2）额定控制电流(ratedcontrolcurrent):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和输出电阻Ro:Ri为霍尔元件两电流电极之间的电阻，Ro为两个霍尔电极之间的电阻。