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磁电式传感器

磁电式传感器 ?   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…

磁电式传感器

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  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。

本文?引用地址:http://www?.eepw.com.cn/artic?le/2μ017﹥10/365256.htm

  

  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m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&?mdash;—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(2la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l≮a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3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。

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  (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。mol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1,约为50H?z,m上限可达1¤00Hz。

  

  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(qml)$,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&plusm*n;0.5%,那么通常选用砷化镓霍尔元件,其灵?敏度高,约为5&md﹤ash;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&pl·usmn?;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)。测振传感器的应用磁电式传感器

  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、c3二阶系统。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o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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作者: mgnqyz

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