检测与转换技术第5章2.

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1、哈尔滨工业大学 电能量传感器 第二部分 哈尔滨工业大学 同学们好同学们好！ 哈尔滨工业大学 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。 第二节 磁电传感器 哈尔滨工业大学 导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电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，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将运动速度、

2、位移等物理量转换成线圈中的感应电 动势输出。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。源传感器。 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表特点：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，但频率响应低，通常在10100HZ10100HZ，适合作机械振，适合作机械振 动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。 磁电式传感器 机械能 电 量 哈尔滨工业大学 电感式传感器是把 被测量转换成电感

3、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 霍尔传感器测转速霍尔传感器测转速 哈尔滨工业大学 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。 哈尔滨工业大学 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/dt 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

4、绕组的匝数 哈尔滨工业大学 磁电式传感器结构原理图 (a)线圈直线运动；(b)线圈作转动 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 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、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

5、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。 哈尔滨工业大学 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；恒定磁场中线圈面积的变 化等，一般磁电感应式传感器 哈尔滨工业大学 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

6、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。 哈尔滨工业大学 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。 哈尔滨工业大学 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

7、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 哈尔滨工业大学 线圈、磁铁静止不动 被测旋转体转动 齿的凹凸使磁路磁 阻周期变化 测量齿轮转动 磁路磁通周期性变化 线圈中产生周期性 变化的感应电动势 5 哈尔滨工业大学 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。 哈尔滨工业大学 当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻变化，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

8、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。 哈尔滨工业大学 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。 哈尔滨工业大学 (2)闭磁路变磁阻式转速传感器 (3) (4) 闭磁路变磁阻式转速传感器的结构如图所示。它 (5

9、) 是由安装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮及线圈 (6) 构成。内、外齿轮的齿数相等。 (7) 测量时，转轴与被测轴相连， (8) 当有旋转时，内外齿的相对运 (9) 动使磁路气隙发生变化，因而 (10)磁阻发生变化并使贯穿于线圈 (11)的磁通量变化，在线圈中感应 (12)出电势。与开磁路相同，也可 (13)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。 哈尔滨工业大学 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

10、磁阻产生周期性变 化，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。 哈尔滨工业大学 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。 哈尔滨工业大学 (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，

11、再经过V2组成的射极跟随器，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 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 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) 哈尔滨工业大学 使用时，磁电式传感器于被测物体紧固在一起，

12、当物体振动 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。 哈尔滨工业大学 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

13、不变时，感应电动势大小与被测速度成正比。 哈尔滨工业大学 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。 哈尔滨工

14、业大学 因恒定磁通磁电式传感器的工作频率不高，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 哈尔滨工业大学 n 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 。 哈尔滨工业大学 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 ： 哈尔滨

15、工业大学 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 哈尔滨工业大学 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。 哈尔滨工业大学 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，

16、近似从线圈电阻随温度变化方面进行补偿。 （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。 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 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