第7章磁电式传感器

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1、第7章 磁电式传感器 第七章 磁传感器 第一节 磁电式传感器第二节 电磁流量计 第三节 霍尔式传感器第四节 其他类型的磁传感器第五节 磁感器的生物医学应用Date1第7章 磁电式传感器 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。由于它的输出大、性能稳定，又具有一定的带宽，所以在生物医学检测中得到广泛的应用。例如：本章将讨论的磁电式血流量计。Date2第7章 磁电式传感器 磁敏传感器是利用对磁场敏感的元件制成的传感器

2、，随着半导体技术的发展，磁敏传感器已经向固态化发展，如霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管等半导体磁敏元件已大量出现并投入使用，为磁场的检测提供了许多更方便、灵敏的传感器 。Date3第7章 磁电式传感器 ( 7-1 )式中: B 稳恒均匀磁场的磁感应强度，（单位： ） ； l 导体有效长度； v 导体相对磁场的运动速度。 一、 磁电式传感器的基本工作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动势为第一节 磁电式传感器Date4第7章 磁电式传感器 (7-2) 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

3、势 e 与磁通变化率d/dt 有如下关系：图7-1(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(7-3) W 工作气隙中线圈绕组的匝数 Date5第7章 磁电式传感器 图7-1 磁电式传感器结构原理图 (a)线圈直线运动；(b)线圈作转动Date6第7章 磁电式传感器 图7-1（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，=tA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(7-4) Date7第7章 磁电式传感器 当

4、 =t =90 时，感应电动式有最大值 Em (7-5) 由式(7-3)及式(7-5)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。 Date8第7章 磁电式传感器 二、磁电式传感器的结构与分类磁电

5、式传感器从结构上可分为恒定磁通式变磁阻式常见磁电传感器: Date9第7章 磁电式传感器 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7-2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7-2（c）是基于这种结构的心音传感器的结构示意图。 1恒定磁通磁电式传感器 Date10第7章 磁电式传感器 图7-2 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)Date11第7章 磁电式传感器 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

6、，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7-3所示。 图7-3 恒定磁通磁电式传感器信号变换电路Date12第7章 磁电式传感器 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。 Date13第7章 磁电式传感器 变磁阻式转速传感器在结构上分为开磁路和闭磁路两种

7、。 （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Date14第7章 磁电式传感器 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，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积，即(7-6)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

8、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。 Date15第7章 磁电式传感器 (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7-5所示。它(5) 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。 图7-5 闭磁路变磁阻式转速传感器 1转轴；2内齿轮；3

9、a，3b外齿轮； 4线圈；5永久磁铁。Date16第7章 磁电式传感器 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。Date17第7章 磁电式传感器 (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组成的射极跟随器，

10、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。 图7-6 磁阻式转速脉冲变换电路Date18第7章 磁电式传感器 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（7-7) 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 ：（7-8) Date19第7章 磁电式传感器 而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 (7-9) (7-10) (7-11) 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Date20第

11、7章 磁电式传感器 当温度变化对式（7-11）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（7-11）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。Date21第7章 磁电式传感器 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

12、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。Date22第7章 磁电式传感器 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。图7-7 电流的磁场效应Date23第7章 磁电式传感器 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

13、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。 Date24第7章 磁电式传感器 线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时： e i 交变 工作 k线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大且方向相反时：- -e -i 交变- 工作 k结果：传感器灵敏度在线圈运动的不同方向上具有不同的数值 传感器输出的基 波能量降低而谐波能

14、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。Date25第7章 磁电式传感器 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。 图7-8 磁电式振动速度传感器中的补偿线圈Date26第7章 磁电式传感器 第二节 电磁流量计电磁流量计能够连续测量血液的瞬时流速或平均流速，并换算出流量。也能用来测量人工心肺机、人工肾等工作时的血液流速。在知道血管内

15、径的条件下，可以很容易地换算出流量。在测量人体较大血管的血流量时，测量精度可达5。近年来发展了一些微型电磁血流测量探头，如心导管型和穿刺型电磁血流测量探头，可用以进行血管内测量。还有一些探头，可以借助于注射针头进行穿刺测量。Date27第7章 磁电式传感器 一、电磁流量计工作原理 根据电磁感应定律用于血液的测量如图7-6所示。血液 在血管中以均匀速度v流动，其流动方向与磁场方向垂直， 在管道直径EE（同时垂直于流速方向和磁力线方向）处 装上一对电极，则感生电势 e 可由电极引出。导线长度为 管道的直径即L= 2r，由式（7-3）即得： Date28第7章 磁电式传感器 由于液体在管道中横截面上的流速是不均匀的，血管 轴心处的速度最快，越靠近血管壁流速越小，并以血管轴 线为对称。这种轴对称情况产生的电动势，可以用平均速 度 代替可用流量Q表示，即 代入式（7-11）（7-11）（7-12）上式表明感应电动势与流速分布的形态无关，对于一定的 血管半径和磁感应强度，电动势仅决定于瞬时流量。Date29第7章 磁电式传感器 二、电磁流量计的组成 电磁血流量计由流量传感器和电路系统组成，电磁血流量计又称为电磁探头。它的作用是将血流量转换成相应 的电压信号。在电路系统中，脉冲发生器、 控制器和激励器产生激磁电 流送