磁电式传感器的发展与应用

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1、磁电式传感器的应用与发展系 别专班姓学 完成业级名号磁电式传感器的应用与发展电子信息与电气工程系09级自动化专业（1）班姓名学号摘 要：磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应，或磁阻效应等电磁现象，把 被测物理量的变化转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等参数测量。按电磁 转换机理的不同，磁电式传感器可分为磁电感应式传感器，霍尔式传感器，和磁阻 效应传感器等，广泛用于建筑，工业等领域中振动，速度，加速度，转速，转角， 磁场参数等的测量。关键词：磁电式传感器；应用；发展正文:基本原理根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势 e。e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。

2、按工作原理不同，磁电感应式传感器 可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。恒定磁通式磁电 感应式传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。1.1恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由 于永久磁铁与线圈之间有相对运动 线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式 和动铁式两种，如图所示。补偿线圈匚T.伸线圈水久磁铁磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt成正比的感应电 动势E,其大小为式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；倉为工作气隙磁感应强度；1为每匝线 圈平均长度。1.2变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频

3、率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁 路和闭磁路两种。3 2 1如图所示开磁路变磁通式转速传感器。 测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿 轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁 通发生变化，因而在线圈3中感应出交变的电势， 其频率等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积，即f Zn /60式中：Z为齿轮齿数;n为被测轴转速(v/min)； f为感应电动势频率(Hz)。 这样当已知Z,测得f就知道n 了。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15 0+90C的温度下工作，不影响 测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为

4、 50Hz,上限可达100kHz。二磁电式传感器的应用2.1磁电式速度传感器2.1.1理论依据机组振动的大小可用振动参量如位移、速度和加速度等不同量值表征，目前测 量机组轴承振动(瓦振)常用磁电式速度传感器。磁电式速度传感器是利用磁感应 电动势将机械振动转换成电信号输出的换能装置，即在传感器线性范围内其电压输 出与机组振动速度成正比，适用于测量汽轮发电机组轴承盖上的轴瓦或机壳振动。机械振动根据振动的规律可以分为周期振动和非周期振动两大类。周期振动有 一种特殊形式为简谐振动，各参量之间有固定的数学关系，其运动规律为：D=Asin (2nft+)(1)式中：D为位移量；A为振动位移；f为振动频率；

5、t为时间；为初 始相位角。在正弦振动条件下，其振动速度换算公式为：V=A=2nfA (2)式中：V为振动速度。振动传感器的灵敏度是传感器输出电量与输入振动机械量之比。为确认振动监 测系统是否正常运行，应对传感器的灵敏度Sv进行定期检测：Sv=U/V (3)式中：U为振动传感器输出电压。速度传感器有两种型式，即相对式和惯性式，电力系统常选用惯性式磁电传感 器，其基本结构由弹簧支架、测量线圈、永久磁钢、外壳和输出引线端等部分构成, 图1为结构示意图。冈I磁电式速度传感器结构示意图2.1.2工作原理传感器由永久磁钢产生恒定的直流磁场，软弹簧一端与测量线圈连接，另一端 与外壳连接。传感器紧固在汽轮发电

6、机组轴承盖上并随轴承座一起振动时，永久磁 钢和外壳随被测物体同时上下振动，由于测量线圈有软弹簧支撑，保持相对静止不 动，这样测量线圈切割磁力线产生感应电动势，该电动势与机组的振动速度成正比。2.1.3工作特点传感器工作频率范围为51 000 Hz,在使用频率范围内能输出较强的电压信号, 且不易受电磁场和声场的干扰，测量电路较简单，传感器输出信号与电缆长度没有 特定的要求。振动传感器按照信号输出方向可分为单向型（重直或水平向）和通用 型（重直或水平向均可使用）两类，现场安装时应注意传感器的使用方向和系列号 说明。2.1.4传感器安装现场安装和检修维护中的不规范行为或对细节的忽视，都可能对振动监测

7、系统 的可靠运行产生影响。（1）某电厂振动监测系统工作不正常，检查发现现场安装未注意传感器工作方 向，使传感器输出信号不正常。磁电式速度传感器安装时要注意其工作方向， 即 安装角度。传感器工作方向有三种型式：垂直向（02.5）、水平向（902.5） 和通用型（0100，重直或水平均可使用）。（2）某电厂使用美国本特利公司生产的磁电式速度传感器，损坏后购买新传感 器时未注意产品系列号，使新传感器接头连接方式与原设计不匹配，影响在线振 动监控系统正常工作。（3）现场安装传感器时应保证其敏感轴与正弦激振方向垂直度偏差在土 5以 内， 以减少测量误差。传感器安装时采用浮地方式， 输出引线插座即汽机现场

8、侧 应绝缘浮空, 电缆宜采用二芯屏蔽电缆， 屏蔽层在汽机现场侧应绝缘浮空， 电缆屏 蔽层应直接延伸到机架，并将屏蔽线直接接在机架的COM或Shield端。2.1.5运行维护管理以美国本特利公司测量主机轴承振动（瓦振）的9200 型传感器为例说明其检测 方法。传感器安装后， 确认安装方向和接线正确，接线和连接头无松动。用检定合 格的万用表测量传感器两端的输出电阻值，应在620 Q左右。在机组正常工作且 汽机监视仪表（TSI）系统处于正常工作状态时，用万用表测量传感器两端输出交 流电压，同时记录TSI系统适配该传感器卡件通道二次仪表显示的振幅指示值。该 振动传感器的出厂灵敏度为19.7 mV/（m

9、m s-l）,假设该通道显示的振幅峰峰值AP-P 为100 口m。根据公式（2）计算出机组的振动速度Vp应为15.71 mm/ s，代入公式（3） 计算得出9200型传感器输出电压有效值U应为218.84 mV。传感器参考点灵敏度的 偏差一般为5， 频率响应灵敏度的偏差一般为10，但有个别厂家提供的参 考点灵敏度偏差为10，需根据厂家说明书的要求判定检查。掌握磁电式速度传感器的工作原理和正确的检定、安装、使用方法，是保证TSI 系统可靠运行的前提和及时正确判断机组振动异常原因的基础。为保证机组安全、 稳定运行，应对TSI系统定期自查、按周期检定，及时消除缺陷并建立考评制度。 配置必要的易损备品

10、备件，损坏时能及时更换，确保TSI系统能正常工作。2.2 霍尔式传感器 霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍 尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场 合中使用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方 便，功耗小，频率高（可达1 MHz），耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染 或腐蚀。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出 模拟量，后者输出数字量。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形 清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。采用了各种补

11、偿和保护措施的霍尔器件 的工作温度范围宽，可达-55+150C。2.2.1霍尔传感器的工作原理霍尔效应半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH,这种现象称为霍尔效应。B=0磁感应强度B为零时的情况当有图示方向磁场B作用时作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KH IB霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的 方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。金属材料中的自由电子浓度n很高，因此RH很小，不宜作霍

12、尔元件。霍尔元件 多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄（d越小），kH就越 大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有lum左右。2.2.2霍尔元件1）霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4 mmX2 mmXO.l mm），经研磨抛 光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄 膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作 欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端 引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。2)霍尔元件的主要特性参数(1) 灵敏度kH

13、：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍 尔电动势，单位为V/(A T)。(2) 霍尔输入电阻Rin：霍尔控制电极间的电阻值。(3) 霍尔输出电阻Rout:霍尔输出电极间的电阻值。(4) 霍尔元件的电阻温度系数a：表示在不施加磁场的条件下，环境温度每变化 1 C时电阻的相对变化率，单位为/c。(5) 霍尔寄生直流电势U0：在外加磁场为零、霍尔兀件用交流激励时，霍尔电 极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。(6) 霍尔最大允许激励电流I max：以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励 电流称为最大允许激励电流。2.2.2霍尔传感器的应用霍尔元件具有结构

14、牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率高、耐 振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点，目前，霍尔传感器是 全球使用量排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机 以及新兴消费电子领域中。霍尔传感器在汽车中的应用霍尔转速传感器在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性 型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性 地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转 速。放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，

15、就可产生磁场强度的脉动，从而 引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔传感器由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。它利用霍尔效应原 理，通过磁场、电流对被测量的控制，使包含有被测量变化信息的霍尔电压发生变 化，在利用后继的信号检索和信号放大电路，就可以得到被测量的信息。直流电源 电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子 计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。因此，通常都 需要电压稳定的直流稳压电源供电。参考文献1磁电式速度传感器的使用和运行分析刘敏（浙江省电力试验研究院，杭州3100142马西秦自动检测技术机械工业出版社2008-93磁电式速度传感器设计与应用卢长根，周友佳（宁波南车时代传感技术有限公司技术管理部，浙江宁波315021 ）4霍尔传感器的应用浅析 张健黄淮学院信息工程系，河南驻马店463000