《检测与转换技术第5章2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《检测与转换技术第5章2（111页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电能量传感器,第二部分,2012.10.6,同学们好！,2012.10.6,磁传感器（Magnetic sensor）包括: 磁电式传感器（magnetoelectric sensor） 磁敏式传感器,磁电式传感器也称为电动式传感器或感应式 传感器，它是利用电磁感应原理将运动速度转换 成线圈中的感应电势输出。,2012.10.6,导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出；磁电式传感器就是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。 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。是典型的有源传感器。 特点：输出功率大，稳定可
2、靠，可简化二次仪表，但频率响应低，通常在10100HZ，适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。,2012.10.6,电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。,磁电传感器,霍尔传感器测转速,2012.10.6,一、基本原理 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,(5-1),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。,2012.10.6,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，则线圈内的感 应电势 e 与磁通变化率d/d
3、t 有如下关系：,图(a)是作直线运动的磁电式传感器。当线圈 在磁场中作直线运动，并切割磁力线时，产生的感 应电动势为,W 工作气隙中线圈绕组的匝数,2012.10.6,磁电式传感器结构原理图 (a)线圈直线运动；(b)线圈作转动,2012.10.6,图（b）所示的结构是线圈作旋转运动的 磁电式传感器。它相当于一只发电机。线圈在磁 场中转动切割磁力线时，产生的感应电动势为,式中： 为角频率，=d/dt ，当 为常数时，=t A为线圈所包围的面积，为线圈面的法线方向与 磁场方向的夹角,2012.10.6,当 =t =90 时，感应电动势有最大值 Em,由式可以看出，当传感器结构一定时， B、A、
4、W、L均为常数。因此，感应电动势与线圈对磁 场的相对运动速度 v 或 () 成正比。所以这种换能器是 一种速度传感器，能直接测量出线速度或角速度。,由于速度与位移或加速度之间有内在联系，它们之间存 在着积分或微分的关系。假如在感应电势的测量电路中接一 积分电路，则其输出电势就与位移成正比，如果在测量电路 中接一微分电路，则其输出电势就与运动的加速度成正比。 这样，磁电式传感器还可以用来测量运动的位移或加速度。,2012.10.6,二、磁电式传感器的结构与分类,从结构上可分为,恒定磁通式 变磁阻式,常见磁电传感器:,磁通量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；磁路中磁阻的变化
5、；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般磁电感应式传感器,2012.10.6,产生感应电动势的方法有两个：,（2）线圈相对磁场运动切割磁力线；,（1）使磁路磁通量发生变化；,根据以上原理，可设计出两种磁电感应式传感器结构： 变磁通式（变磁阻式）、恒磁通式。 变磁通式磁电传感器, 用来测量旋转物体的角速度。,2012.10.6,2. 变磁阻式磁电传感器,这类传感器的线圈和磁铁都是静止不动的。 利用磁性材料制成齿轮，在运动中它不断地改 变磁路的磁阻，因而改变了贯穿线圈的磁通量， 因此在线圈中感应出电动势。,变磁阻式传感器一般都做成转速传感器，产生 的感应电势的频率作为输出，其频率值取决于磁通 变化的频率
6、。,2012.10.6,变磁阻式转速传感器在结构上分为开磁路和闭磁路两种。,（1） 开磁路变磁阻式转速 传感器如图所示，传 感器由永久磁铁、感 应线圈、软铁组成。 齿轮安装在被测转轴 上，与转轴一起旋转。,1永久磁铁；2软铁； 3感应线圈；4齿轮。 图7-4 开磁路变磁阻式转速传感器,2012.10.6,线圈、磁铁静止不动,齿的凹凸使磁路磁阻周期变化,2012.10.6,结构简单、牢固、价格便宜，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速的轮速传感器。上图为变磁通式磁电传感器的结构原理。其中传感器线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。,2012.10.6,当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁
7、阻变化，而使 磁通发生变化，因而在线圈 3 中感应出交变电势，其频 率等于齿轮的齿数和转速的乘积，即,式中，z 为齿轮的齿数；n为被测轴的转速(r/min) ； f 为感应电势频率(Hz)。,当齿轮的齿数 z 确定以后，若能测出 f 就可求出转速 n ( n=60f / z )。这种传感器结构简单，但输出信号小， 转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往 往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。,2012.10.6,开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。,2012.10.6,闭磁路变磁阻式转速传
8、感器 闭磁路变磁阻式转速传感器的结构如图所示。它 是由安装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮及线圈 构成。内、外齿轮的齿数相等。 测量时，转轴与被测轴相连， 当有旋转时，内外齿的相对运 动使磁路气隙发生变化，因而 磁阻发生变化并使贯穿于线圈 的磁通量变化，在线圈中感应 出电势。与开磁路相同，也可 通过感应电势频率测量转速。,闭磁路变磁阻式转速传感器 1转轴；2内齿轮；3a，3b外齿轮； 4线圈；5永久磁铁。,2012.10.6,1、永久磁铁 3、线圈，5、内齿轮 6、外齿轮 7、被测转轴,当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，
9、从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。,2012.10.6,转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变 化速度，因而它是与被测速度成一定比例的，当 转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所 以这种传感器有一个下限工作频率，一般为50Hz 左右，闭磁路转速传感器下限频率可低到30Hz左 右，上限工作频率可达100Hz。若将输出电势信号 转化为脉冲信号，则可方便的求解出转速的大小。,2012.10.6,(3) 变磁阻式传感器的测量电路 变磁阻式传感器需实现从转速到电脉冲的变换，实用 的变换电路如图所示。传感器的感应电势由VD1管削去负 半周，送到V1进行放大，再经过V2组成的
10、射极跟随器，然 后送入由V3和V4组成的射极耦合触发器进行整形，这样就 得到方波输出信号。,磁阻式转速脉冲 变换电路,2012.10.6,这种传感器工作磁场恒定，线圈和磁铁两者之 间产生相对运动(动线圈或动磁铁)，切割磁力线而 产生感应电势。图中的（a）和（b）为这种磁电式传感器的工作原理图。恒定磁通式磁电传感器通 常用于测量振动速度。图（c）是基于这种结构 的心音传感器的结构示意图。,二恒定磁通磁电式传感器,2012.10.6,恒定磁通磁电式传感器结构图 （a）动线圈式，（b）动磁铁式，（c） 磁电式心音传感器实例,(c),2012.10.6,使用时，磁电式传感器于被测物体紧固在一起，当物体
11、振动时，传感器外壳也随之振动。由于弹簧非常软、轻，运动部件（绕扎在金属骨架上的线圈）质量相对较大，当物体振动频率足够高时，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，振动能量几乎全部被弹簧吸收，永久磁铁于线圈之间的相对运动速度就接近于振动体的振动速度。磁铁与线圈的相对运动速度切割磁力线，从而产生感应电动势。,2012.10.6,设线圈运动空间的工作气隙磁场磁感应强度B是均匀的，线圈的匝数为W，l 为线圈平均长度，当线圈与磁场的相对运动速度为dx/dt时，则线圈的感应电动势为：,为线圈运动方向与B的夹角,当=90,因此，当线圈匝数，工作气隙磁感应强度，线圈有效长度不变时，感应电动势大
12、小与被测速度成正比。,2012.10.6,换句话说，当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。,由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。 不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10 Hz左右，高的可达2 kHz左右。,2012.10.6,因恒定磁通磁电式传感
13、器的工作频率不高，传感器 能输出较大的信号，所以对变换电路要求不高，采用一 般交流放大器就能满足要求。传感器输出信号经过直接 放大或微积分电路便可分别得到与速度、加速度或位移 量相关的信号。所用电路如图所示。,恒定磁通磁电式 传感器信号变换电路,2012.10.6,信号输出测量电路 直接输出电动势测量速度； 接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。,2012.10.6,三、 磁电式传感器的误差与补偿,当磁电式传感器后接测量电路时，传感器的输出电流 i0 为,R 为传感器的内阻，Ri 为测量电路输入电阻，l为线圈 的平均周长。,传感器的电流灵敏度为 ：,2012.10.6,而传感器的输出
14、电压和电压灵敏度分别为,当传感器的工作环境温度发生变化或受到外界磁场干扰、 或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,2012.10.6,当温度变化对式右边三项有影响，对铜线每摄氏度变化量为dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B-0.0210-2，这样由式可得近似值如下：,1. 温度误差,这一数值是很可观的，实际使用中需要进行温度补偿。,2012.10.6,补偿的方法可从两方面进行： （1）在电路上，可以将负温度系数的热敏电阻与线圈 串联，近似从线圈电阻随温度变化
15、方面进行补偿。 （2）在磁路上采用热磁分流器，从气隙工作磁通密度 随温度变化方面进行补偿。,热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。 它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温 度升高时热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通 占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气 隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。,2012.10.6,2. 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, 如图所示。,电流的磁场效应,2
16、012.10.6,当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大 时，将产生较大的感应电势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。其结果是使传感器灵敏度在线圈运动的不 同方向上具有不同的数值，因而传感器输出的基波能量 降低而谐波能量增加，即这种非线性特性同时伴随着传 感器输出的谐波失真。显然，换能器灵敏度越高，线圈 中电流越大，则这种非线性将越严重。,2012.10.6,为了补偿传感器线圈中电流i的上述作用，可以在传 感器中加入“补偿线圈”如图所示。“补偿线圈”消耗传感 器测量电路供电电源的能量，即其中通以经放大后的电流 ik，若传感器线圈中电流为i ，放大倍数为A，则电流 ik = Ai ， 且使其产生的交变磁通与传感器线圈本身所产生的交变磁 通相互抵销。,磁电式振动速度传 感器中的补偿线圈,2012.10.6,三、温度对磁电式传感器的影响 在磁电式传感器的输出回路中接入指示器，在
