|
磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。它能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種無源傳感器。
中文名 磁電式傳感器 類 別 傳感器 工作頻帶 一般為10～1000Hz 特 性 雙向轉(zhuǎn)換
目錄
1 原理結(jié)構(gòu)
2 工作原理
3 測量電路
4 設(shè)計原則
5 分類
▪ 霍爾式
▪ 應(yīng)用
6 傳遞矩陣
7 磁電應(yīng)用
原理結(jié)構(gòu)編輯
磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；
利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：
根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。下圖所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu)。
變磁通式結(jié)構(gòu)
(a)旋轉(zhuǎn)型（變磁））； (b)平移型（變氣隙）
其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動鐵心3(銜鐵)的運動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。
變磁式結(jié)構(gòu)
變磁式結(jié)構(gòu)
在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動——線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如下圖所示。
恒磁通式結(jié)構(gòu) (a)動圈式；(b)動鐵式
圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場中。
當(dāng)線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為
式中 B——氣隙磁通密度(T)；
l——氣隙磁場中有效匝數(shù)為W的線圈總長度(m)為l=laW(la為每匝線圈的平均長度)
v——線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度(ms-1)。
當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式(5-2)中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢e僅與相對速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為
為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B；增加la和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。
為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運動。設(shè)計者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。
工作原理編輯
根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 當(dāng)w匝線圈在恒定磁場內(nèi)運動時, 設(shè)穿過線圈的磁通為Φ, 則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢E與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系: E=-w(dΦ/dt)
測量電路編輯
磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢, 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器, 若要獲取被測位移或加速度信號, 則需要配用積分或微分電路。
設(shè)計原則編輯
磁電感應(yīng)式傳感器有兩個基本元件組成:一個是產(chǎn)生恒定直流磁場的磁路系統(tǒng)，為了減小傳 感器體積，一般采用永久磁鐵;另一個是線圈，由它與磁場中的磁通交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng) 電動勢與磁通變化率或者線圈與磁場相對運動速度成正比，因此必須使它們之間有一個相對運 動。作為運動部件，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。所以，必須合理地選擇它們的結(jié)構(gòu)形式、 材料和結(jié)構(gòu)尺寸.以滿足傳感器的基本性能要求。
對于慣性式傳感器，具體計算時，一般是先根據(jù)使用場合、使用對象確定結(jié)構(gòu)形式和體積大 �。摧喞叽纾缓蟾鶕�(jù)結(jié)構(gòu)大小初步確定磁路系統(tǒng)，計算磁路以便決定磁感應(yīng)強度B。這樣，由技術(shù)指標(biāo)給定的靈敏度S值以及確定的B值，由S = e/v= BιN即可求得線圈的匝數(shù)N。因為 在確定磁路系統(tǒng)時，氣隙的尺寸已經(jīng)確定了，線圈的尺寸也已確定，亦即 ι已經(jīng)確定。根據(jù)這些 參數(shù)，便可初步確定線圈導(dǎo)線的直徑d。從提高靈敏度的角度來看，B值大，S值也大，因此磁路 結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)大些。只要結(jié)構(gòu)尺寸允許，磁鐵可盡量大些，并選擇B值大的永磁材料，匝數(shù)N也可 取得大些。當(dāng)然具體計算時導(dǎo)線的增加也是受其他條件制約的，各參數(shù)的選擇要統(tǒng)一考慮，盡量從優(yōu)。
分類編輯
一般分為兩種：（1）磁電感應(yīng)式（2）霍爾式
霍爾式
霍爾效應(yīng)
置于磁場中的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體），當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生電動勢（霍爾電勢），原因是電荷受到洛倫茲力的作用。
定向運動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當(dāng)fl=fE時，達(dá)到平衡，此時
基本結(jié)構(gòu)
霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)圖如下：
基本特性
（1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10度時所流過的激勵電流以元件最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流
（2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻電壓源內(nèi)阻
（3）不等位電勢和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，此時測得的空載霍爾電勢。不等位電勢就是激勵電流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓。
（4）寄生直流電勢
（5）霍爾電勢溫度系數(shù)
誤差補償
（1）零點誤差：
不等位電勢：①電極引出時偏斜，②半導(dǎo)體的電阻特性（等勢面傾斜）造成。③激勵電極接觸不良。
寄生直流電勢：由于霍耳元件是半導(dǎo)體，外接金屬導(dǎo)線時，易引起PN節(jié)效應(yīng)，當(dāng)電流為交流電時，整個霍耳元件形成整流效應(yīng)，PN節(jié)壓降構(gòu)成寄生直流電勢，帶來輸出誤差。
補償方法
制作工藝上保證電極對稱、歐姆接觸
電路補償[1]
（2）霍爾元件的溫度補償
誤差原因：溫度變化時，KH,Ri（輸入電阻）變化
補償辦法
1.對溫度引起的I進(jìn)行補償。采用恒流源供電。但只能減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流的變化的影響。
2.對KHI乘積項同時進(jìn)行補償。采用恒流源與輸入回路并聯(lián)電阻。如圖所示：
應(yīng)用
（1）霍爾式位移傳感器工作原理圖：如圖所示
(2)幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)：如圖所示:
(3)霍爾計數(shù)裝置的工作示意圖及電路圖：如圖所示：[1]
傳遞矩陣編輯
一.傳遞矩陣
一.機械阻抗下圖(a)所示的質(zhì)量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數(shù)為c的單自由度機械振動系統(tǒng)。設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動速度和位移分別為v(圖中即ν)和x，由此可列出力平衡方程
下圖(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯(lián)電路，設(shè)電源電壓為u，回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程
這兩個微分方程式雖然機電內(nèi)容不同，但形式相同。因此，這兩個系統(tǒng)為一對相似系統(tǒng)。一個系統(tǒng)可以根據(jù)求解它的微分方程來討論其動態(tài)特性，故上述兩相似系統(tǒng)的動態(tài)特性必然一致，可以實現(xiàn)機電模擬。
一對相似系統(tǒng)
(a)單自由度機械振動系統(tǒng)；(b)RLC串聯(lián)電路
在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯(lián)系起來的一個參數(shù)，可以設(shè)想，如同電路中的電阻抗一樣，假設(shè)機械系統(tǒng)存在“機械阻抗”ZM。類似于電系統(tǒng)，由第一個式子可得
可見ZM是將機械系統(tǒng) 中某一點上的運動響 應(yīng)與引起這個運動的力聯(lián)系起來的一個參數(shù)。由此可得，作簡諧運動的線性機械系統(tǒng)的機械阻抗的定義為
機械阻抗ZM(復(fù)數(shù))=激振力(復(fù)數(shù))/運動響應(yīng)(復(fù)數(shù))
引用機械阻抗概念來分析機械系統(tǒng)的動態(tài)特性，就可以用簡單的代數(shù)方法求得描述動態(tài)特性的傳遞函數(shù)，而不必求解微分方程。
磁電應(yīng)用編輯
測振傳感器
磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動體上進(jìn)行測量，因而在地面振動測量及機載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
常用地測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。
(一).測振傳感器的應(yīng)用
航空發(fā)動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監(jiān)測與研究都可使用磁電式傳感器。
(二).測振傳感器的工作特性
振動傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性(絕對)式測振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。
這樣，在較高振動頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體(同傳感器殼體)相對質(zhì)量塊的位移y(輸出)就可真實地反映振動體相對大地的振幅x(輸入)。
磁電式力發(fā)生器與激振器
前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機械量。
在慣性儀器——陀螺儀與加速度計中廣泛應(yīng)用的動圈式或動鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)實驗中是非常重要的設(shè)備，用以獲取機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)參數(shù)，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。
除上述應(yīng)用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測量。
|
