传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第7章课件.ppt

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1、第7章磁电式传感器7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器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，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。7.1.1磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为(7-1)式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；l——导体有效长

2、度；v——导体相对磁场的运动速度。当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，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：根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，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。(7-2)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，随被测体一起转动。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上齿数的乘积。这种传感

3、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的场合。图7-1变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路图7-1(b)为闭磁路变磁通式传感器，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，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应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。图7-1变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路图7-1变磁通式磁电传感器结构图

4、(a)开磁路；(b)闭磁路图7-1变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路；(b)闭磁路图7-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式；(b)动铁式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

5、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(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。7.1.2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时，如图7-3所示，磁电传感器的输出电流Io为（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（7-5)图7-3磁电式传感器测量电路而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为(7-6)(7-7)当传感器的工作温度发生

6、变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为(7-8)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φI，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7-4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，将产生较大的感应电势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7-4所示方向相反时，感应电

7、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。图7-3磁电式传感器测量电路图7-4传感器电流的磁场效应2.温度误差当温度变化时，式（7-8）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝

8、镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式（7-8）可得近似值如下：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