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1、7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器,第7章 磁电式传感器,返回主目录,第7章 磁电式传感器,7.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定, 具有一定的工作带宽（101000 Hz）, 所以得到普遍应用。,一、 磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律, 当w匝线圈在恒定磁场内运动时, 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: E-w (7 - 2) 根据这一原理
2、, 可以设计成两种磁电传感器结构: 变磁通式和恒磁通式。 图7 - 1是变磁通式磁电传感器, 用来测量旋转物体的角速度。,图7 - 1（a）为开磁路变磁通式: 线圈、 磁铁静止不动, 测量齿轮安装在被测旋转体上, 随之一起转动。每转动一个齿, 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次, 磁通也就变化一次, 线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单, 但输出信号较小, 且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。 图7 - 1(b)为闭磁路变磁通式, 它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成, 内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时, 外齿轮不动
3、, 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, 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生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。,图 7 - 2 为恒磁通式磁电传感器典型结构， 它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。 磁路系统产生恒定的直流磁场, 磁路中的工作气隙固定不变, 因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式）, 也可以是磁铁（动铁式）, 动圈式（图7 - 2（a）和动铁式（图7 - 2(b)）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时, 由于弹簧较软, 运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器
4、固有频率）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, 振动能量几乎全被弹簧吸收, 永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度, 磁铁与线圈的相对运动切割磁力线, 从而产生感应电势为,E=-B0Lwv (7 - 3) 式中: B0 工作气隙磁感应强度; L每匝线圈平均长度; W线圈在工作气隙磁场中的匝数; v相对运动速度。 二、 磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路中, 磁电传感器的输出电流Io为 Io= （7 - 4）式中: Rf测量电路输入电阻; R 线圈等效电阻。,传感器的电流灵敏度为 SI= (7 - 5)而传感器的输出电压和电压灵敏度
5、分别为 (7 - 6) (7 - 7) 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、 机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为,1. 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7 - 3所示。 当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时, 将产生较大的感生电势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。,当线圈的运动速度与图7
6、- 3所示方向相反时, 感生电势E、 线圈感应电流反向, 所产生的附加磁场方向与工作磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向不同时, 传感器的灵敏度具有不同的数值, 使传感器输出基波能量降低, 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，传感器灵敏度越高, 线圈中电流越大, 这种非线性越严重。 为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 如图7 - 2（a）所示。 补偿线圈通以经放大K倍的电流, 适当选择补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。,2. 温度误差 当温度变化时, 式（
7、7 -7）中右边三项都不为零, 对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L0.16710-4, dR/R0.4310-2 , dB/B每摄氏度的变化量取决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 - 7)可得近似值: t(-4.5%)/10 这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通常采用热磁分流器。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
8、器灵敏度为常数。 ,三、 磁电感应式传感器的测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。 图 7 - 4 为一般测量电路方框图 四、 磁电感应式传感器的应用 1. 动圈式振动速度传感器 图 7 - 5 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构主要由钢制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。,工作时, 传感器与被测物体刚性
9、连接, 当物体振动时, 传感器外壳和永久磁铁随之振动, 而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。 因而, 磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势, 线圈的输出通过引线输出到测量电路。 该传感器测量的是振动速度参数, 若在测量电路中接入积分电路, 则输出电势与位移成正比; 若在测量电路中接入微分电路, 则其输出与加速度成正比。,2. 磁电式扭矩传感器 图 7 - 6 是磁电式扭矩传感器的工作原理图。 在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图7 - 7所示。 传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组
10、成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应出交流电压, 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。 当扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。 这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。,7.2 霍尔式传感器,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和
11、发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 一、 霍尔效应及霍尔元件 1. 霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。,图 7 - 8 所示, 在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板, 导电板通以电流I, 方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时, 每个电子受洛仑磁力fL的作用，fL大小为 fL =eBv （ 7 - 9）式中: e电子电荷; v电子运动平均速度; B磁场的磁感应强度。,fL的方向在图 7 - 8
12、 中是向上的, 此时电子除了沿电流反方向作定向运动外, 还在fL的作用下向上漂移, 结果使金属导电板上底面积累电子, 而下底面积累正电荷, 从而形成了附加内电场EH, 称霍尔电场, 该电场强度为 EH= （7 - 10） 式中UH为电位差。霍尔电场的出现, 使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外, 还受到霍尔电场的作用力, 其大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。 随着上、下底面积累电荷的增加, 霍尔电场增加, 电子受到的电场力也增加, 当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、 方向相反时, 即,eEH=evB （7 - 11）则 EH=vB （7 - 12）此时电荷不再向两底面积累, 达到平衡状态。 若金属导电板单位体积内电子数为n, 电子定向运动平均速度为v, 则激励电流I=nevbd, 则 v= （7 - 13）将式（7 -13）代入式（7 - 12）得 EH= （7 -14）,将上式代入式（7 - 10）得 UH = （7 -15） 式中令RH =1/（ne）, 称之为霍尔常数, 其大小取决于导体载流子密度，则 UH =RH （7 - 16）式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（7 - 16）可见, 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。,
