傳感器技術(shù)5-磁電式傳感器-中英對照

1、第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器Magnetoelectric S第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器基本原理和結(jié)構(gòu)型式基本原理和結(jié)構(gòu)型式Basic principles and structures5.1動態(tài)特性動態(tài)特性Dynamic characteristics5.2霍爾傳感器霍爾傳感器Hall sensors5.5誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償Errors and compensation5.3磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用Applications of magnetoelectric 第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 磁電式傳感器(magnetoelectric sensors)

2、是利用電磁感應(yīng)(electromagnetic induction)原理，將輸入運(yùn)動速度(speed of movement)變換成感應(yīng)電勢(induced electric potential)輸出的傳感器。它不需要輔助電源(auxiliary power)，就能把被測對象的機(jī)械能(mechanical energy)轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種自源(self powered)傳感器。 磁電式傳感器有時也稱作電動式(electrodynamic)或感應(yīng)式(inductive)傳感器， 它只適合進(jìn)行動態(tài)測量(dynamic measurement) 。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單

3、；零位(zero point)及性能穩(wěn)定；工作頻帶(working bandwidth)一般為101000Hz。第一節(jié)第一節(jié) 基本原理和結(jié)構(gòu)型式基本原理和結(jié)構(gòu)型式5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)形式基本原理與結(jié)構(gòu)形式 磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換(two-way transform)特性，利用其逆轉(zhuǎn)換(inverse transform)效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器(electromagnetic vibration exciter)等。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律(law of electromagnetic induction)，當(dāng)W匝線圈(coil of W turns)在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動時，設(shè)穿過線圈的

4、磁通(magnetic flux)為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(induced electrical potential) e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系：dtdWe(5-1)根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成變磁通式(variable magnetic flux)和恒磁通式(constant magnetic flux)兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度(linear velocity)或角速度(angular velocity)的磁電式傳感器。圖5-1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)。圖5-1 變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型（變磁）； (b)平移型（變氣隙） 5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)形式基本原理與

5、結(jié)構(gòu)形式其中永久磁鐵(permanent magnet)1(俗稱“磁鋼steel magnet”)與線圈(coil) 4均固定，動鐵心3(銜鐵)(armature)的運(yùn)動使氣隙(air gap)5和磁路磁阻(reluctance of magnetic circuit)變化，引起磁通(flux)變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(induced electric potential)，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)(variable reluctance structure)。 在恒磁通式結(jié)構(gòu)(constant magnetic flux structure)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

6、圈之間有相對運(yùn)動(relative movement)線圈切割磁力線(lines of magnetic force)而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如圖5-2所示。5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)形式基本原理與結(jié)構(gòu)形式圖5-2 恒磁通式結(jié)構(gòu) (a)動圈式(moving coil)；(b)動鐵式(moving armature) 5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)形式基本原理與結(jié)構(gòu)形式圖5-2中的磁路系統(tǒng)由圓柱形(cylindrical)永久磁鐵和極掌(palm)、圓筒形磁軛(magnetic yoke)及空氣隙(air gap)組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架(barrel frame)上，經(jīng)膜片彈簧(d

7、iaphragm spring)懸掛于氣隙磁場中。 當(dāng)線圈與磁鐵間有相對運(yùn)動(relative movement)時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(induced potential) e為Blve (5-3)式中 B氣隙磁通密度(magnetic flux density)(T)； l氣隙磁場中有效匝數(shù)為W的線圈總長度(m) llaW(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(yùn)動速度(ms-1)。5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)形式基本原理與結(jié)構(gòu)形式當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式(5-3)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(magn

8、etic energy product)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(magnetic flux density)B；增加a和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻(internal resistance)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(uniform magnetic field)內(nèi)運(yùn)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。 BlveS(5-4)5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)形式基本原理與結(jié)構(gòu)形式 課本117頁圖5-3是圖5-2所示傳感器的二階系統(tǒng)(second order syst

9、em)力學(xué)模型(mechanical model) ，設(shè) 和 分別為振動物體和質(zhì)量塊的絕對位移(absolute displacement)，則它們之間的相對位移(relative displacement)為：(5-6)由牛頓第二定律可得質(zhì)量塊的運(yùn)動方程為：0 x0022ddddddkxtxckxtxctxmmmmmx0 xxxmt(5-5)振動體輸入 相對于質(zhì)量塊輸出 的傳遞函數(shù)為：0 xtx2002202)(ssssxxt(5-7)5.2 磁電式傳感器的動態(tài)特性磁電式傳感器的動態(tài)特性第二節(jié)第二節(jié) 磁電式傳感器的動態(tài)特性磁電式傳感器的動態(tài)特性 當(dāng)振動體作簡諧振動(simple harmon

10、ic oscillation)時，即當(dāng)輸入信號為正弦波(sine wave)時，其頻率傳遞函數(shù)為：(5-9)所以幅頻特性為：(5-8)相頻特性為：20220200)/(2)/(1)/()()(xxAtx(5-10)jjxxt)/(2)/(1)/()(0202002001)/(1)/(2tan)(x其中 為固有頻率(characteristic frequency)； 為阻尼比(damping ratio)。mk/0mkc 2/5.2 磁電式傳感器的動態(tài)特性磁電式傳感器的動態(tài)特性課本圖5-4給出了磁電式傳感器的頻響特性。為了更深入得研究傳感器的動態(tài)特性，可以用網(wǎng)絡(luò)分析法(network anal

11、ysis method)導(dǎo)出傳感器的傳遞函數(shù)：(5-11)mjZZlBcZZZlBveLeLLe)/()(12200(5-12)式中： 為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； 為傳感器電阻抗（線圈阻抗）； 為負(fù)載阻抗。BeZLZ當(dāng)傳感器為電壓輸出時，負(fù)載阻抗 遠(yuǎn)大于線圈阻抗 ，并呈電阻性，于是式(5-11)簡化成mjRlBclBveL/)(122005.2 磁電式傳感器的動態(tài)特性磁電式傳感器的動態(tài)特性LZeZ 由式(5-12)和圖5-4可以看出(見圖5-5)： (1).當(dāng)被測振動體的振動頻率 低于傳感器的固有頻率 ，即 時，傳感器的靈敏度隨頻率變化而明顯地變化。01)/(0 (2).當(dāng)被測體振動頻率(vibrat

12、ion freq.)遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率(inherent freq./characteristic freq.)時，靈敏度接近為一常數(shù)，它基本上不隨頻率變化。在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動速度成正比。這一頻段即傳感器的工作頻段(operating frequency range)，或稱作頻響范圍(frequency range)。這時傳感器可看作是一個理想的速度傳感器。 (3).當(dāng)頻率更高時，由于線圈阻抗(coil impedance)的增加，靈敏度也將隨著頻率的增加而下降。 必須指出，以上是對慣性式(inertia)磁電傳感器而言的。對于動圈與測桿相固連的直接式磁電傳感器，其上

13、限工作頻率取決于傳感器的彈簧彈性系數(shù)(coefficient of elasticity) k值。一般說來，直接式傳感器頻響范圍可從零到幾百赫茲，高至10千赫茲。5.2 磁電式傳感器的動態(tài)特性磁電式傳感器的動態(tài)特性一一. .非線性誤差非線性誤差(error of nonlinearity) 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是，由于傳感器線圈輸出電流i變化產(chǎn)生的附加磁通(additional flux)i疊加在永久磁鐵產(chǎn)生的氣隙磁通(air gap flux) 之上，使恒定的氣隙磁通變化。當(dāng)傳感器的線圈相對運(yùn)動的速度和方向改變時，附加磁場的作用也隨之改變，從而使傳感器的靈敏度隨被測速度的大小

14、和方向的改變而變化。顯然，傳感器的靈敏度越高，線圈中的電流越大，這種非線性將越嚴(yán)重。 為補(bǔ)償附加磁場的干擾，可以在傳感器中加入補(bǔ)償線圈(compensation coil)。適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈的參數(shù)，可以使其產(chǎn)生的交變磁通(alternating flux)與傳感器線圈本身產(chǎn)生的交變磁通互相抵消。見圖5-2(a) 氣隙磁場不均勻(nonuniformity)也是造成傳感器非線性誤差的原因之一。見圖5-7第三節(jié) 磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償5.3 磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償二二. .溫度誤差溫度誤差(error of temperature) 溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長(lengt

15、h of coil wires)的變化，導(dǎo)線電阻率(electric resistivity)的變化、磁阻(reluctance)的變化以及磁導(dǎo)率(magnetic conductivity)的變化。有時候溫度變化帶來的相對誤差是可觀的，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通常采用熱磁補(bǔ)償合金(thermal magnetism compensation alloy)來實現(xiàn)補(bǔ)償，保證氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(magnetic flux density) B不隨溫度而變化。三三. .永久磁鐵的穩(wěn)定性永久磁鐵的穩(wěn)定性(stability of permanent magnet) 永久磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁

16、感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性。為了保證磁電式傳感器的精度和可靠性，一般采取如下幾種穩(wěn)磁(magnetic stabilization)處理措施。（1）時間穩(wěn)定性(time stability)；矯頑力(coercivity)越高、尺寸比(size proportion)越大越穩(wěn)定。為了在使用過程中保持穩(wěn)定，用少量交流強(qiáng)制退磁(demagnetization)的辦法可以獲得良好的效果。5.3 磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償三三. .永久磁鐵的穩(wěn)定性永久磁鐵的穩(wěn)定性(stability of permanent magnet)（2）溫度穩(wěn)定性(temperature stability)；為

17、了使傳感器能在非室溫條件下使用，必須進(jìn)行高低溫時效(ageing)穩(wěn)磁處理，實際上就是對永磁材料及磁路內(nèi)各材料進(jìn)行溫度沖擊(temperature impact)。經(jīng)過這種處理后，雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的數(shù)值減小了，但隨溫度的變化也減小了。（3）外磁場作用下的穩(wěn)定性(stability under external field)；傳感器工作環(huán)境中會有一些外磁場源，如變壓器、通電線圈等。而且充磁后的永磁體在存放、運(yùn)輸和裝配過程中，總是處在永磁體互相產(chǎn)生的磁場中。為使其能長期穩(wěn)定工作，應(yīng)進(jìn)行”人工老化(artificial ageing)“，即選一個比工作過程中遇到的最大干擾磁場大數(shù)倍的交流磁場作用到

18、永磁體上，強(qiáng)迫其工作點(diǎn)穩(wěn)定下來，從而增強(qiáng)抗外磁場干擾的能力。為了防止永磁體與鐵磁性物質(zhì)接觸而引起磁性能減小，應(yīng)該用非磁性材料(nonmagnetic material)制成的防護(hù)把它屏蔽起來。屏蔽材料(shield material)通常用塑料和黃銅(brass)。5.3 磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償三三. .永久磁鐵的穩(wěn)定性永久磁鐵的穩(wěn)定性（4）機(jī)械振動作用下的穩(wěn)定性(stability under mechanical vibration)；沖擊(shock)和振動(vibration)都能引起永久磁鐵的退磁(demagnetization)。由沖擊、振動而引起的退磁程

19、度和永磁體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。一般將充磁后的永久磁鐵按一定技術(shù)要求先經(jīng)受約千次的振動和沖擊試驗，振動和沖擊值取今后工作中可能遇到的最大。5.3 磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償 一一. .測振傳感器測振傳感器(vibration sensor)(vibration sensor) 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(still base)作為參考基準(zhǔn)(reference)，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(jī)載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。 常用的測振傳感器有動鐵式(moving armature)振動傳感器（圖5-9）、動圈式(

20、moving coil)振動速度傳感器（圖5-10）等。第四節(jié)第四節(jié) 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用5.3 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器( (一一).).測振傳感器的應(yīng)用測振傳感器的應(yīng)用 航空發(fā)動機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)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。( (二二).).測振傳感器的工作特性測振傳感器的工作特性 由圖5-3可知，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

21、，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)。第第5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器二二. .磁電式力發(fā)生器與磁電式力發(fā)生器與激振器激振器(vibration exciter) 前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換(two-way transform)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(jī)械量(mechanical quantity)。 在慣性儀器(inertia instrument)陀螺儀(gyroscope)與加速度計(acceleration meter)中廣

22、泛應(yīng)用的動圈式或動鐵式直流力矩器(DC torquer)就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)參數(shù)，如共振頻率(resonant freq.)、剛度(rigidity)、阻尼(damping)、振動部件的振型(mode of vibration)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。 式中： 為霍爾系數(shù)； 為元件的控制電流。5.5 霍爾傳感器霍爾傳感器一一. .霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)(Hall effect)1879年美國物理學(xué)家E.H.Hall首先發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。如課本圖5-11模型所示，當(dāng)在長方形半導(dǎo)體片的長度方向通以直

23、流(DC)電流I時,若在其厚度方向存在一磁場B,那么在該半導(dǎo)體片的寬度方向就會產(chǎn)生電位差UH，此即霍爾效應(yīng)。 dIBRdIBenUHH1enRH/1 把式(5-20)改寫為(5-20)IBKdIBRUHHHI式中： 稱為霍爾元件的靈敏度(5-21)IBUdRKHHH5.5 霍爾傳感器霍爾傳感器一一. .霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾元件的主要特性參數(shù)（1）乘積靈敏度(product sensitivity) : 即單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所得到的開路霍爾電勢。 （2）額定控制電流(rated control current) :指空氣中的霍爾元件產(chǎn)生允許溫升 時的控制電流。（3）輸入電阻Ri和輸出電阻Ro: Ri為霍爾元件兩電流電極之間的電阻， Ro為兩個霍爾電極之間的電阻。 （4）不等位電勢U0和