磁電式傳感器課件

第五章磁電式傳感器Magnetoelectricsensor11/25/20221第五章磁電式傳感器11/22/20221應(yīng)用實例：11/25/20222應(yīng)用實例：11/22/20222磁電式傳感器

Magnetoelectricsensor磁電式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。有時也稱作電動式或感應(yīng)式傳感器。不需輔助電源，是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器、有源傳感器。11/25/20223磁電式傳感器

Magnetoelectricsensor磁主要內(nèi)容基本原理與結(jié)構(gòu)型式磁電式傳感器的動態(tài)特性磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償磁電式傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器其他磁敏傳感器磁電式傳感器

Magnetoelectricsensor11/25/20224主要內(nèi)容磁電式傳感器

Magnetoelectricsen5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式基本原理：電磁感應(yīng)定律：

當(dāng)W匝線圈在恒磁場內(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：11/25/202255.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式基本原理：電磁感應(yīng)定律：動鐵式動圈式磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。

磁電式恒磁通式變磁通式（變磁阻式）線速度型角速度型5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式因此磁電式傳感器的分類：測轉(zhuǎn)速測頻數(shù)測偏心測振動磁阻式11/25/20226動鐵式動圈式磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式：變磁通式和恒磁通式（1）變磁通式(變磁阻式)：旋轉(zhuǎn)型和平移型e=-ωAWBcos(2ω)t11/25/202275.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式：變磁通式和恒磁通式（1）5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式（2）恒磁通式：動圈式和動鐵式e=Blv11/25/202285.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式（2）恒磁通式：動圈式和動鐵式e=5.2磁電式傳感器的動態(tài)特性可以把圖5-2所示的測振傳感器等效為一個集中參數(shù)“m-k-c”的二階系統(tǒng)，如圖5-3。慣性式傳感器：測量物體振動時，傳感器殼體與振動體剛性固連，隨被測體一起振動。質(zhì)量塊質(zhì)量m較大，彈簧彈性系數(shù)k較小，被測體振動頻率足夠高。振動能量幾乎全被彈簧吸收，彈簧的變形量接近等于被測體的振幅。11/25/202295.2磁電式傳感器的動態(tài)特性可以把圖5-2所示的測振傳感器5.2磁電式傳感器的動態(tài)特性慣性式磁電傳感器測振動特性：當(dāng)被測體的振動頻率ω低于傳感器的固有頻率ω0，即ω/ω0<1時，傳感器的靈敏度隨頻率而明顯地變化。當(dāng)被測體的振動頻率ω遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率ω0時，一般取ω/ω0>3，靈敏度接近為一常數(shù)，傳感器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，或稱作頻響范圍，這時傳感器可看作一個理想的速度傳感器。當(dāng)頻率更高時，靈敏度隨頻率的增加而下降。

一般慣性式傳感器固有頻率ω0=10Hz，較好的可做到ω0=4.5Hz。上限頻率為200Hz～1000Hz。11/25/2022105.2磁電式傳感器的動態(tài)特性慣性式磁電傳感器測振動特性：磁電式傳感器的特點：零位及性能穩(wěn)定。工作頻帶10～1000Hz。具有雙向轉(zhuǎn)換功能，可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器。應(yīng)用實例被測對象：動態(tài)被測量，如速度，加速度、振動輸出信號：電壓信號輸出，且輸出功率大，故配用電路較簡單。11/25/202211磁電式傳感器的特點：零位及性能穩(wěn)定。應(yīng)用實例被測對象：動態(tài)被5.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償

Errorandcompensation非線性誤差溫度誤差永久磁鐵的穩(wěn)定性11/25/2022125.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償

Errorandcom非線性誤差

Nonlinearityerror產(chǎn)生誤差的主要原因及其補(bǔ)償措施：由于傳感器線圈電流變化產(chǎn)生的附加磁通疊加于永久磁鐵產(chǎn)上的氣隙磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。（見圖5-6）措施：加補(bǔ)償線圈（見圖5-2(a)）氣隙磁場不均勻。措施：加反向磁片（見圖5-7）11/25/202213非線性誤差

Nonlinearityerror產(chǎn)生誤差的主2.溫度誤差

Temperatureerror溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長以及導(dǎo)線電阻率的變化，磁阻的變化以及磁導(dǎo)率的變化等。措施：熱磁溫度補(bǔ)償（見圖5-8）11/25/2022142.溫度誤差

Temperatureerror溫度的變化3.永久磁鐵的穩(wěn)定性

Stablityofpermanentmagnet當(dāng)測量電路的輸入電阻Rf＞＞R時，永久磁鐵的穩(wěn)定性將成為誤差的決定因素。因為永久磁鐵的磁通量密度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁通量密度的穩(wěn)定性。幾種穩(wěn)磁處理措施：時間穩(wěn)定性 交流強(qiáng)制退磁，“小電流老化”或叫做去“虛磁”。溫度穩(wěn)定性 高低溫時效穩(wěn)磁處理。外磁場作用下的穩(wěn)定性 “人工老化”或采取屏蔽措施。機(jī)械振動作用下的穩(wěn)定性沖擊、振動試驗11/25/2022153.永久磁鐵的穩(wěn)定性

Stablityofperman5.4磁電式傳感器的應(yīng)用測振傳感器（1）動鐵式振動傳感器（見圖5-10）（2）動圈式振動速度傳感器（見圖5-11）磁電式力發(fā)生器與激振器磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出為機(jī)械量。（見圖5-12）磁電式激振器特點：（與壓電激振器比較）振動幅度大振動頻率較低11/25/2022165.4磁電式傳感器的應(yīng)用測振傳感器11/22/202216應(yīng)用實例：現(xiàn)有非導(dǎo)磁圓盤如圖所示，想用磁電式傳感器測量該圓盤的平均轉(zhuǎn)速，問：(1)如何安裝、設(shè)計磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)？(2)畫出傳感器輸出電壓波形。(3)畫出測量系統(tǒng)電路功能框圖。(4)寫出平均轉(zhuǎn)速的計算公式。？思考題：(1)如何在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力？(2)如何從設(shè)計原理上提高測量精度？n11/25/202217應(yīng)用實例：現(xiàn)有非導(dǎo)磁圓盤如圖所示，想用磁電式傳感器測答案示例：(1)磁電傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)安裝圖：(2)傳感器輸出電壓u的波形：傳感器n磁片ut0一個轉(zhuǎn)動周期11/25/202218答案示例：(2)傳感器輸出電壓u的波形：傳感器n磁片ut0一(3)測量系統(tǒng)電路框圖：被測對象磁電傳感器信號調(diào)理電路計數(shù)器在設(shè)定時間T（秒）內(nèi)，對傳感器輸出正脈沖或負(fù)脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)N，設(shè)轉(zhuǎn)動平臺上安裝a個磁片，則待測平均轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）：(4)轉(zhuǎn)速測量方法：n=60(N/a)/T=60N/(aT)

（轉(zhuǎn)/分）11/25/202219(3)測量系統(tǒng)電路框圖：被測對象磁電傳感器信號調(diào)理電路計數(shù)器在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力的方法是增加磁片的個數(shù)，減小脈沖間的對應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度，提高轉(zhuǎn)動角度的分辨能力，以提高轉(zhuǎn)速測量分辨力。思考題(1):如何在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力？結(jié)論：11/25/202220在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力的方法是增加磁片的個數(shù)，減TT……增加磁片數(shù)a或增大設(shè)定計數(shù)時間T，以提高測量精度。分析：

可見，計數(shù)器計數(shù)過程中，多計或少計一個脈沖所引起的誤差決定了測量精度。由n=N/(aT)(r/s)，可得△n=±1/(aT)。結(jié)論：思考題(2):如何從設(shè)計原理上提高測量精度？11/25/202221TT……增加磁片數(shù)a或增大設(shè)定計數(shù)時間T，以提高測11/25/20222211/22/20222211/25/20222311/22/20222311/25/20222411/22/20222411/25/20222511/22/20222511/25/20222611/22/202226

11/25/20222711/22/202227

11/25/20222811/22/202228

x0mcxm被測體k圖5-3二階系統(tǒng)力學(xué)模型圖等效為11/25/202229x0mcxm被測體k圖5-3二階系統(tǒng)力學(xué)模型圖等效為11

振動速度vvAvBvC理想特性實際特性工作范圍輸出電壓e0圖5-5磁電式傳感器的輸出特性

11/25/202230振動速度vvAvBvC理想特性實際特性工作范圍輸出電壓e05.5霍爾傳感器

Hallsensor應(yīng)用實例：11/25/2022315.5霍爾傳感器

Hallsensor應(yīng)用實例：11/霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾電勢產(chǎn)生的實質(zhì)：運動電荷在磁場中受洛倫茲力作用的結(jié)果?；魻栃?yīng)：將一載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向正交，則在與磁場和電流兩者垂直方向上將會出現(xiàn)橫向電勢，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢。5.5霍爾傳感器

Hallsensor11/25/202232霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾電勢產(chǎn)生的實質(zhì)：運動電荷在磁場霍爾電勢

霍爾元件的形狀用來制造霍爾元件的半導(dǎo)體片，幾何形狀對輸出的霍爾電勢也有一定的影響，5.5霍爾傳感器

Hallsensor11/25/202233霍爾電勢霍爾元件的形狀5.5霍爾傳感器

Halls霍爾元件的主要特性：額定激勵電流IH：通常定義使霍爾片溫升100C時所施加的電流值為額定激勵電流IH。不等位電勢及其補(bǔ)償：當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，元件通以額定激勵電流IH時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢，或者叫零位電勢。溫度特性及其補(bǔ)償5.5霍爾傳感器

Hallsensor11/25/202234霍爾元件的主要特性：溫度特性及其補(bǔ)償5.5霍爾傳感器

H霍爾式傳感器的應(yīng)用測量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等測量交、直流電流、電壓等參數(shù)微位移測量其他物理量測量：霍爾式鋼絲繩斷絲檢測。5.5霍爾傳感器

Hallsensor11/25/202235霍爾式傳感器的應(yīng)用其他物理量測量：霍爾式鋼絲繩斷絲檢測。5.霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。11/25/202236霍爾式接近開關(guān)當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT11/25/202237霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵5.6其他磁敏傳感器磁敏電阻器磁敏效應(yīng)：將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，其電阻值隨磁場而變化的現(xiàn)象稱為“磁敏電阻效應(yīng)”，簡稱“磁阻效應(yīng)”。磁敏電阻是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。11/25/2022385.6其他磁敏傳感器磁敏電阻器11/22/202238第五章磁電式傳感器Magnetoelectricsensor11/25/202239第五章磁電式傳感器11/22/20221應(yīng)用實例：11/25/202240應(yīng)用實例：11/22/20222磁電式傳感器

Magnetoelectricsensor磁電式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。有時也稱作電動式或感應(yīng)式傳感器。不需輔助電源，是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器、有源傳感器。11/25/202241磁電式傳感器

Magnetoelectricsensor磁主要內(nèi)容基本原理與結(jié)構(gòu)型式磁電式傳感器的動態(tài)特性磁電式傳感器的誤差與補(bǔ)償磁電式傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器其他磁敏傳感器磁電式傳感器

Magnetoelectricsensor11/25/202242主要內(nèi)容磁電式傳感器

Magnetoelectricsen5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式基本原理：電磁感應(yīng)定律：

當(dāng)W匝線圈在恒磁場內(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：11/25/2022435.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式基本原理：電磁感應(yīng)定律：動鐵式動圈式磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變感應(yīng)電動勢。

磁電式恒磁通式變磁通式（變磁阻式）線速度型角速度型5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式因此磁電式傳感器的分類：測轉(zhuǎn)速測頻數(shù)測偏心測振動磁阻式11/25/202244動鐵式動圈式磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式：變磁通式和恒磁通式（1）變磁通式(變磁阻式)：旋轉(zhuǎn)型和平移型e=-ωAWBcos(2ω)t11/25/2022455.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式：變磁通式和恒磁通式（1）5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式（2）恒磁通式：動圈式和動鐵式e=Blv11/25/2022465.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式（2）恒磁通式：動圈式和動鐵式e=5.2磁電式傳感器的動態(tài)特性可以把圖5-2所示的測振傳感器等效為一個集中參數(shù)“m-k-c”的二階系統(tǒng)，如圖5-3。慣性式傳感器：測量物體振動時，傳感器殼體與振動體剛性固連，隨被測體一起振動。質(zhì)量塊質(zhì)量m較大，彈簧彈性系數(shù)k較小，被測體振動頻率足夠高。振動能量幾乎全被彈簧吸收，彈簧的變形量接近等于被測體的振幅。11/25/2022475.2磁電式傳感器的動態(tài)特性可以把圖5-2所示的測振傳感器5.2磁電式傳感器的動態(tài)特性慣性式磁電傳感器測振動特性：當(dāng)被測體的振動頻率ω低于傳感器的固有頻率ω0，即ω/ω0<1時，傳感器的靈敏度隨頻率而明顯地變化。當(dāng)被測體的振動頻率ω遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率ω0時，一般取ω/ω0>3，靈敏度接近為一常數(shù)，傳感器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，或稱作頻響范圍，這時傳感器可看作一個理想的速度傳感器。當(dāng)頻率更高時，靈敏度隨頻率的增加而下降。

一般慣性式傳感器固有頻率ω0=10Hz，較好的可做到ω0=4.5Hz。上限頻率為200Hz～1000Hz。11/25/2022485.2磁電式傳感器的動態(tài)特性慣性式磁電傳感器測振動特性：磁電式傳感器的特點：零位及性能穩(wěn)定。工作頻帶10～1000Hz。具有雙向轉(zhuǎn)換功能，可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器。應(yīng)用實例被測對象：動態(tài)被測量，如速度，加速度、振動輸出信號：電壓信號輸出，且輸出功率大，故配用電路較簡單。11/25/202249磁電式傳感器的特點：零位及性能穩(wěn)定。應(yīng)用實例被測對象：動態(tài)被5.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償

Errorandcompensation非線性誤差溫度誤差永久磁鐵的穩(wěn)定性11/25/2022505.3磁電式傳感器的誤差及補(bǔ)償

Errorandcom非線性誤差

Nonlinearityerror產(chǎn)生誤差的主要原因及其補(bǔ)償措施：由于傳感器線圈電流變化產(chǎn)生的附加磁通疊加于永久磁鐵產(chǎn)上的氣隙磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。（見圖5-6）措施：加補(bǔ)償線圈（見圖5-2(a)）氣隙磁場不均勻。措施：加反向磁片（見圖5-7）11/25/202251非線性誤差

Nonlinearityerror產(chǎn)生誤差的主2.溫度誤差

Temperatureerror溫度的變化將導(dǎo)致線圈匝長以及導(dǎo)線電阻率的變化，磁阻的變化以及磁導(dǎo)率的變化等。措施：熱磁溫度補(bǔ)償（見圖5-8）11/25/2022522.溫度誤差

Temperatureerror溫度的變化3.永久磁鐵的穩(wěn)定性

Stablityofpermanentmagnet當(dāng)測量電路的輸入電阻Rf＞＞R時，永久磁鐵的穩(wěn)定性將成為誤差的決定因素。因為永久磁鐵的磁通量密度的穩(wěn)定性直接影響工作氣隙中磁通量密度的穩(wěn)定性。幾種穩(wěn)磁處理措施：時間穩(wěn)定性 交流強(qiáng)制退磁，“小電流老化”或叫做去“虛磁”。溫度穩(wěn)定性 高低溫時效穩(wěn)磁處理。外磁場作用下的穩(wěn)定性 “人工老化”或采取屏蔽措施。機(jī)械振動作用下的穩(wěn)定性沖擊、振動試驗11/25/2022533.永久磁鐵的穩(wěn)定性

Stablityofperman5.4磁電式傳感器的應(yīng)用測振傳感器（1）動鐵式振動傳感器（見圖5-10）（2）動圈式振動速度傳感器（見圖5-11）磁電式力發(fā)生器與激振器磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出為機(jī)械量。（見圖5-12）磁電式激振器特點：（與壓電激振器比較）振動幅度大振動頻率較低11/25/2022545.4磁電式傳感器的應(yīng)用測振傳感器11/22/202216應(yīng)用實例：現(xiàn)有非導(dǎo)磁圓盤如圖所示，想用磁電式傳感器測量該圓盤的平均轉(zhuǎn)速，問：(1)如何安裝、設(shè)計磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)？(2)畫出傳感器輸出電壓波形。(3)畫出測量系統(tǒng)電路功能框圖。(4)寫出平均轉(zhuǎn)速的計算公式。？思考題：(1)如何在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力？(2)如何從設(shè)計原理上提高測量精度？n11/25/202255應(yīng)用實例：現(xiàn)有非導(dǎo)磁圓盤如圖所示，想用磁電式傳感器測答案示例：(1)磁電傳感器測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)安裝圖：(2)傳感器輸出電壓u的波形：傳感器n磁片ut0一個轉(zhuǎn)動周期11/25/202256答案示例：(2)傳感器輸出電壓u的波形：傳感器n磁片ut0一(3)測量系統(tǒng)電路框圖：被測對象磁電傳感器信號調(diào)理電路計數(shù)器在設(shè)定時間T（秒）內(nèi)，對傳感器輸出正脈沖或負(fù)脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)N，設(shè)轉(zhuǎn)動平臺上安裝a個磁片，則待測平均轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）：(4)轉(zhuǎn)速測量方法：n=60(N/a)/T=60N/(aT)

（轉(zhuǎn)/分）11/25/202257(3)測量系統(tǒng)電路框圖：被測對象磁電傳感器信號調(diào)理電路計數(shù)器在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力的方法是增加磁片的個數(shù)，減小脈沖間的對應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度，提高轉(zhuǎn)動角度的分辨能力，以提高轉(zhuǎn)速測量分辨力。思考題(1):如何在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力？結(jié)論：11/25/202258在系統(tǒng)安裝上，提高轉(zhuǎn)速測量的分辨力的方法是增加磁片的個數(shù)，減TT……增加磁片數(shù)a或增大設(shè)定計數(shù)時間T，以提高測量精度。分析：

可見，計數(shù)器計數(shù)過程中，多計或少計一個脈沖所引起的誤差決定了測量精度。由n=N/(aT)(r/s)，可得△n=±1/(aT)。結(jié)論：思考題(2):如何從設(shè)計原理上提高測量精度？11/25/202259TT……增加磁片數(shù)a或增大設(shè)定計數(shù)時間T，以提高測11/25/20226011/22/20222211/25/20226111/22/20222311/25/20226211/22/20222411/25/20226311/22/20222511/25/20226411/22/202226

11/25/20226511/22/202227

11/25/20226611/22/202228

x0mcxm被測體k圖5-3二階系統(tǒng)力學(xué)模型圖等效為11/25/202267x0mcxm被測體k圖5-3二階系統(tǒng)力學(xué)模型圖等效為11

振動速度vvAvBvC理想特性實際特性工作范圍輸出電壓e0圖5-5磁電式傳感器的輸出特性

11/25/202268振動速度vvAvBvC理想特性實際特性工作范圍輸出電壓e05.5霍爾傳感器

Hallsensor應(yīng)用實例：11/25/2022695.5霍爾傳感器

Hallsensor應(yīng)用實例：11/霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾電勢產(chǎn)生的