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磁电式传感器详解

日期: 2019-03-18 浏览人数: 42 来源: 编辑:

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核心提示:  磁电式传感器是利用电磁感应原理,将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信
  磁电式传感器是利用电磁感应原理,将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号,是一种无源传感器。磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器, 它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率,故配用电路较简单;零位及性能稳定。

  

磁电式传感器的原理结构

磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器, 它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率,故配用电路较简单;零位及性能稳定;
利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。根据电磁感应定律,当W匝线圈在均恒磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为Φ,则线圈内的感应电势e与磁通变化率dΦ/dt有如下关系:
根据这一原理,可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式,构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。下图所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。
变磁通式结构

  

(a)旋转型(变磁)); (b)平移型(变气隙)
其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4均固定,动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化,引起磁通变化而在线圈中产生感应电势,因此又称变磁阻式结构。

  

  变磁式结构

在恒磁通式结构中,工作气隙中的磁通恒定,感应电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。这类结构有两种,如下图所示。

  

图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布,测量线圈绕在筒形骨架上,经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。
当线圈与磁铁间有相对运动时,线圈中产生的感应电势e为
式中 B——气隙磁通密度(T);
l——气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)为l=laW(la为每匝线圈的平均长度)
v——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。
当传感器的结构确定后,式(5-2)中B、la、W都为常数,感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为
为提高灵敏度,应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度,以提高气隙磁通密度B;增加la和W也能提高灵敏度,但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。
为了保证传感器输出的线性度,要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸,以满足传感器基本性能要求。
各种磁电式传感器

1、磁电感应式传感器
(1) 磁电感应式传感器的特点
磁电感应式传感器简称感应式传感器,也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势,是一种机-电能量变换型传感器,不需要外部供电电源,电路简单,性能稳定,输出阻抗小,又具有一定的频率响应范围(一般为10~1000Hz),适用于振动、转速、扭矩等测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准,它直接安装在振动体上进行测量,因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

  

(2) 磁电感应式传感器的工作原理,分类与应用
  

工作原理: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Φ变化率有关。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。动圈式磁电传感器的中线圈是运动部件,基本形式是速度传感器,能直接测量线速度或角速度,如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路,那么还可以用来测量位移或加速;动铁式磁电感应式传感器的运动部件是铁芯,可用于各种振动和加速度的测量。
变磁通式磁电感应传感器中,线圈和磁铁都静止不动, 转动物体引起磁阻、磁通变化,常用来测量旋转物体的角速度。如动画所示,线圈3和磁铁5静止不动,测量齿轮1(导磁材料制成)每转过一个齿,传感器磁路磁阻变化一次,线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不高,能在-150~+90℃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50Hz,上限可达100Hz。
  

2、霍尔式传感器
(1) 霍尔传感器的特点
霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下,具有感受磁场的独特能力,并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点,因此获得了广泛应用。
(2) 霍尔传感器原理
金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。
霍尔效应原理
  

霍尔电势可用下式表示:
  
霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测,按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。
(3) 霍尔传感器的应用
维持I、q 不变,则EH=f(B),这方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等;
维持I、B不变,则EH=f(q),这方面的应用有角位移测量仪等。
维持q 不变,则EH=f(IB),即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比,这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。
  

(4) 霍尔传感器的选用注意事项
1.磁场测量。如果要求被测磁场精度较高,如优于±0.5%,那么通常选用砷化镓霍尔元件,其灵敏度高,约为5—10mv/100mT.温度误差可 忽略不计,且材料性能好,可以做的体积较小。在被测磁场精度较低,体积要求不高。如精度低于±0.5%时,最好选用硅和锗雹尔元件。
2.电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量,要求精度较高时.选用砷化镓霍尔元件,精度不高时,可选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。
3.转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时,通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑铟霍尔元件替代电机的电刷,提高了使用寿命。
4.信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比,并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性,制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性。制造功率表、电度表等。
5.拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的阵感器灵敏度和线性度更佳。
3、磁阻效应传感器
磁阻元件类似霍尔元件,但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向,霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压,而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。
  

上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中,当它相对于磁场发生位移时,元件内阻R1、R2发生变化,如果将它们接于电桥,则其输出电压比例于电阻的变化。
磁阻效应与材料性质及几何形状有关,一般迁移率大的材料,磁阻效应愈显著;元件的长、宽比愈小,磁阻效应愈大。
磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。
磁电应用

测振传感器
磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准,它直接安装在振动体上进行测量,因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。
常用地测振传感器有动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等。
(一)。测振传感器的应用
航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等,其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。
(二)。测振传感器的工作特性
振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器,要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。
这样,在较高振动频率下,由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时,振动体(同传感器壳体)相对质量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的振幅x(输入)。
磁电式力发生器与激振器
前已指出磁电式传感器具有双向转换特性,其逆向功能同样可以利用。如果给速度传感器的线圈输入电量,那么其输出量即为机械量。
在惯性仪器——陀螺仪与加速度计中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备,用以获取机械结构的动态参数,如共振频率、刚度、阻尼、振动部件的振型等。
除上述应用外,磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。

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