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1、第5章 电动势式传感器 1 磁电式传感器 2 压电晶体传感器 3 霍尔传感器,介绍三种传感器,即磁电式传感器、压电晶体传感器和霍尔传感器。虽然它们的工作原理截然不同,但它们的输出量都是电势,所以归类为电动势式传感器。,一、磁电式传感器,磁电式传感器是一种利用电磁感应原理,将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器,它也被称为感应式传感器。这种传感器工作时不需要电源,直接从被测物体吸取机械能,转换为电信号输出。由于它的输出功率较大,所以大大简化了测量电路,且性能稳定,具有一定的工作带宽(一般为101000Hz),所以获得较普遍的应用。,1工作原理及结构 根据电磁感应定律,具有N匝的线圈在磁场
2、中运动时,所产生的感应电动势e的大小取决于穿过这线圈的磁通的变化率,即 (1) 图1是磁电式传感器的原理图,其中(a)是当线圈在磁场中作直线运动时产生感应电动势的传感器;(b)是线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的传感器。,图1 磁电式传感器原理图 (a) 线圈直线运动;(b)线圈旋转运动 1线圈;2运动体;3磁钢,如果式(1)不以磁通变化,而用线圈运动速度形式来表示,则对应于图1(a)和(b)可分别写成 (2) e=NBA (V) (3) 式中 B磁感应强度(T,1T=1Wb/m2); l线圈导线的总长度(m); 线圈与磁铁相对直线运动的线速度（m/s）; N线圈匝数; A线圈截面积(m
3、2); 线圈的角速度(rad/s)。,在传感器中,当结构已定时，B，A，N，l都是常数,感应电动势就与线圈对磁场的相对运动速度或成正比,因此磁电式传感器可直接用于测量线速度与角速度。由于速度与位移、加速度之间存在一定的积分或微分关系。因此,如果在感应电动势的测量电路中接入一微分电路,其输出就与运动的加速度成正比;如果在测量电路中加接一积分电路,则其输出就与位移成正比。,由此可见,磁电式传感器除测量速度外,还可用来测量运动的位移和加速度。此外,在磁电式传感器中,其输出除电动势幅值外,还可以是电动势的频率值,例如磁电式转速传感器,将在应用举例中介绍。,以上分析可知,磁电式传感器有两个基本组成部分:
4、一个是磁路系统,由它产生磁场,为了减小传感器的体积,一般都采用永久磁铁;另一个是线圈,由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。由式(2)和(3)可知,感应电动势e是线圈与磁场相对运动而产生的。作为相对运动,运动部分可以是线圈,也可以是永久磁铁,前者称为动圈式,后者称为动铁式。作为一个完整的传感器,除磁路系统和线圈外,还有一些其它部件,如壳体、支承、阻尼器、接线装置等等。,2传感器的灵敏度和温度补偿 由基本公式(2)可以导出磁电式传感器的灵敏度 (4) 从提高灵敏度的观点来看,B值大,灵敏度S也大,所以要选择B值大的永磁材料;另外导线长度l也可取得大一些,但这是有条件的,必须考虑下列两种情况:,(
5、1)线圈电阻与指示器电阻匹配问题。因传感器相当于一个电压源,为使指示器从传感器获得最大功率,必须使线圈的电阻R等于指示器的电阻Rd,即R=Rd。 (2)线圈的发热。因为传感器线圈产生感应电动势,接上负载后,线圈中有电流流过,因而线圈会发热。为此,根据传感器灵敏度,R与Rd匹配求得线圈所需尺寸后,还必须发热方面对线圈加以核算,使线圈的温升在允许的温升范围以内。,图2 磁电式传感器与指示仪表 相连的等效电路,图(2)是磁电式传感器与指示仪表相连的等效电路。整个回路电流为 (5) 当温度变化时,上式的分子分母都会随温度而变,而且它们的变化方向是相反的。因为永久磁铁的磁感应强度随温度增加而减小,即感应
6、电动势随温度增加而减小。,例如钨钢和铬钢做的磁铁,当温度在5060以下时,其磁感应强度变化大约为每10变化0.3%。而传感器线圈与指示器的电阻都是铜电阻,所以它们的电阻温度系数都是正的。当温度增加t时,回路电流将从i变化到i。 (6) 式中 磁铁磁通密度的负温度系数; 传感器线圈电阻正温度系数; 1指示器电阻正温度系数。,温度误差 (7) 可见温度误差是负值,即随着温度的增加,传感器的输出将变小。 补偿温度误差的办法是在结构许可的情况下,在传感器的磁铁下装置热磁分路。,热磁分路是用磁分路片搭装在磁系统的极靴上,把气隙中的磁通分出一部分,亦即把总磁通分出一部分。磁分路片用特种的镍铁合金制成,当温
7、度在-80+80之间,这类合金片的磁感应强度随温度增加而明显地下降。所以,随着温度增加,分到热磁分路的磁通减少,而分到气隙的那部分磁通增加,这使e的数值增加,从而使电流增大,起到了温度补偿作用。,3测量电路 根据磁电式传感器的工作原理,可知它输出电动势大小与运动速度成正比,所以是一个测速的传感器。但是在实际测量中,它常常还被用来测量运动的位移(或振幅)和加速度,为此必须将信号加以变换。一般是在测量电路中配以积分电路和微分电路,通过开关切换,来达到不同的测量目的。,测量电路方框图如图3所示。通常把积分和微分电路置于两级放大器中间,以利于各级间的阻抗匹配。由于磁电式传感器具有较高的灵敏度,所以一般
8、不需要高增益放大器,用一般晶体管放大器即可胜任。,图3 磁电式传感器测量电路方框图,图3中,当联动开关S在“1“位置时,经过一个积分电路,可测位移;当S在“2“位置时,经过微分电路,可测加速度;若S在“3“位置,传感器输出信号直接送主放大器,此时测量参数为速度信号。,4应用举例 （1）CD-1型振动速度传感器 它是一种动圈式的磁电传感器。其磁路系统由钢制圆柱形外壳和由它包裹着的永久磁铁构成。工作线圈放置在磁路系统的空气隙中。使用时把振动传感器和被测报体固紧在一起,当振动体振动时,壳体也随之振动,此时线圈、阻尼器和芯轴由于惯性并不随之振动,因此位于气隙间的线圈与壳体就产生相对运动,从而切割磁力线
9、,于是产生正比于振动速度的电动势,该电动势通过引线接到测量电路。,图4 CD-1型振动速度传感器 1一弹簧片;2一永久磁铁;3一阻尼器;4一引线;5一芯轴;6一外壳;7一工作线圈;8一弹簧片,这种传感器测量的基本参数是振动速度,其灵敏度约为600mV/(cm.s-1)。若在测量电路中接入积分电路和微分电路后,也可测量振动体的振幅和加速度,可测振幅范围为0.11000m,可测最大加速度为5g(g为重力加速度)。,（2）转速传感器 转速传感器是一种测量机械转速的器件,根据转速测量方法的不同,转速传感器的种类也有很多,这里主要介绍利用电磁作用原理检测转速的传感器,检测所得信号有正比于机械转速的直流、
10、交流电压信号或频率信号。,(I)测速发电机。测速发电机是一种应用十分普遍的转速传感器,按其输出电压类型不同,分为直流和交流两种。直流测速发电机,它的结构类似小型直流电机,大多采用永磁励磁方式,其输出直流电压为 (8) 式中 Ke电动势系数,与电机结构有关; 磁极磁通(Wb); n机械转速(r/min)。,由式(8)可见,直流测速发电机的输出电压U和被测对象的转速n成正比,并且直流电压的极性能反映转向。但实际应用中,由于电枢绕组电阻、电枢反应的存在以及工作时引起的发热等因素,将影响输出信号的线性以及产生测量误差,一般其精度不超过1%。,交流测速发电机输出交流电压信号,常见的交流测速发电机的结构是
11、:定子上绕有二个在空间互相垂直的绕组W1和W2,转子是用铝合金制成的杯形。当频率为f的交流电压u1,加在励磁绕组W1后,沿着绕组Wl轴线(d轴)产生出频率为f的脉振磁通d,当转子静止不动(n=0)时,由于d与绕组W2轴线(g轴)相互垂直,故输出绕组W2没有感应电动势,当转子旋转后,杯形转子切割磁通d,随之在转子上产生电动势和电流,转子电流将在g轴方向产生频率为f的脉振磁通g,并在输出绕组W2上感应出交流输出电压u2,输出电压的幅值与转速成正比,而频率与励磁电压的频率相同。交流测速发电机结构简单,输出信号误差小。,(II)输出频率量的转速传感器。它由定子(永久磁铁)、转子和线圈等组成。转子端面均
12、匀地铣了若干槽。测量时,转子与被测对象转轴连接,当转子在图5所示位置时,气隙最小,磁通最大;转子转过一定角度,气隙最大,磁通最小。这样当定子不动而转子转动时,磁通会周期性地变化,在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号。,这种传感器的输出量以感应电动势的频率来表示时,其频率f与被测转速n关系是 (9) 式中 N定子或转子端面齿数; n被测转速(r/min)。,图5输出频率量的磁电式转速传感器示意图 1一定子;2一线圈;3一转子,这种测速传感器可靠性高,输出稳定,但要从被测对象吸收能量,且不宜测量太低的转速。现有的产品如SZMB3磁电式转速传感器,其N=60,所以用数字频率计可直接显示每分钟的转速。
13、,（3）电磁流量计 在图6所示的一段绝缘材料制成的管道上,左右安装磁极N和S，在管道上下安装两个电极A和C。当导电流体以平均速度v流过管道时,它将切割磁力线,在电极上就会出现感应电动势E,图6 电磁流量计原理图,(10) 式中 B磁感应强度(Wb/m2); d管道内径,即导体在磁场内的长度(m); v导体在磁场内切割磁力线的速度,即被测流体经传感器时的平均流速(m/s); Q容积流量,Q=d2v/4(m3/s)。 式(10)表明,在B,d一定时,感应电动势E与流量成正比。,必须指出，使用电磁流量计的流体，应具有导电性,蒸馏水及各种油类都不能使用;为了防止流体电解和电极被极化腐蚀,一般不采用直流
14、磁场,而用交流磁场。由于感应电动势一般为毫伏数量级,所以对电磁流量计的抗干扰要求很高,必须妥善屏蔽。近年来,随着抗干扰技术的提高,电磁流量计的精度已可优于1级,并且还可制成直径3m的大管径流量计。,二、压电晶体传感器,压电传感器是以某些物质的压电效应为基础的一种有源传感器。在外力作用下,某些物质变形后其表面会产生电荷,从而实现非电量电测的目的。压电传感器尺寸小,重量轻,工作频率宽,可测量变化很快的动态压力、加速度、振动等。,1压电效应 某些电介质物质当沿一定方向受到外力作用而变形时,在它的两个表面会产生符号相反的电荷;当将外力去掉后,又重新回到不带电状态,这种现象称为压电效应。具有压电效应的电
15、介质称压电材料或压电元件,常见的压电材料有石英晶体、钛酸坝、锆钛酸铅等。,以石英晶体为例来说明应电材料的性质。石英晶体是各向异性体,即在各个方向晶体性质是不同的。图7(a)表示石英晶体的形状,它是一个六棱柱,两端是六棱锥。在结晶学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示。其中纵向轴Z-Z称为光轴,经过六棱柱棱线,并垂直于光轴的X-X轴称为电轴,与X-X轴和Z-Z轴同时垂直的Y一Y轴(垂直于棱面)称为机械轴。通常把沿电轴X-X方向的力作用下产生电荷的效应称为“纵向压电效应“,而把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的效应称为“横向压电效应“。在光轴Z-Z方向受力时,不产生压电效应。,图7 石英晶体 (
16、a)石英晶体形状；(b)晶体切片,假设从石英晶体上沿Y-Y轴方向切下一片薄片,称为晶体切片(图7(b)。在每一片中,当沿电轴方向作用有力Fx时,则在与电轴垂直的平面(即切片的切面)上,产生电荷qx但它的大小为 qx=d11Fx (11) 式中d11X轴方向受力的压电系数(C/N)。,电荷qx应包含相应的符号,它是由Fx是压力还是拉力而定(参看图8)。由式(11)可见,电荷的多少与切片的几何尺寸无关。 如果在同一切片上作用力沿着机械轴方向,其电荷仍在与X轴垂直的平面上出现,而极性相反,此时电荷的大小为 (12) 式中 a晶体切片的长度; b晶体切片的厚度; d12Y轴方向受力的压电系数。,图8 晶片上电荷的极性与受力方向的关系 (a)沿X铀方向受压力;(b)沿X轴方向受拉力; (c)沿Y轴方向受压力;(d)沿Y轴方向受拉力,
