生物醫(yī)學(xué)傳感-磁電式

§4-4磁電式傳感器壓阻式傳感器的工作原理壓阻效應(yīng)、晶面晶向的表示(密勒指數(shù)、方向余弦)01壓阻系數(shù)、阻值變化的計(jì)算縱、橫向壓阻系數(shù)的計(jì)算任意方向電阻條電阻變化的計(jì)算02測(cè)量電橋、溫度漂移及其補(bǔ)償03上次課內(nèi)容回顧電磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應(yīng)用。但是作為現(xiàn)代的傳感器，為了便于信號(hào)處理，需要磁傳感器能將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)輸出。應(yīng)用最早的是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的磁電式的傳感器。磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器，它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10～1000Hz。磁電式傳感器機(jī)械能電量一、工作原理磁電式傳感器的工作原理是以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的，即當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)、線圈兩端感應(yīng)的電勢(shì)正比于穿過線圈的磁通變化率，其方向與磁通變化相反．即對(duì)于一個(gè)匝數(shù)為W的線圈，當(dāng)穿過診線圈的磁通Φ發(fā)生變化時(shí)，其感生電動(dòng)勢(shì)e為線圈感生電動(dòng)勢(shì)的大小，取決于匝數(shù)W和穿過線圈的磁通變化率。磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，如果改變其中任何一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感生電動(dòng)勢(shì)。此即磁電式傳感器所依據(jù)的工作原理。根據(jù)磁場(chǎng)中線圈的運(yùn)動(dòng)方式不同，其感應(yīng)電勢(shì)的表示式也有所不同。1.線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)式中B——磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

l——單匝線圈有效長(zhǎng)度；

W——有效線圈匝數(shù)，指在均勻磁場(chǎng)內(nèi)參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；

v——線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；

θ——線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角。永久磁鐵產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場(chǎng)，置于磁場(chǎng)中的線圈作直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為此式說明：當(dāng)W，B，l均為常數(shù)時(shí)，感生電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈運(yùn)動(dòng)的線速度成正比。這就是一般常見的絕對(duì)式磁電速度計(jì)的工作原理。當(dāng)θ=90?時(shí)，線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)垂直時(shí)。上式可寫為令則S即為傳感器的靈敏度2.線圈在磁場(chǎng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)線圈在永久磁鐵產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為0102式中A——單匝線圈的截面積；ω——角頻率；從上可知，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)己定時(shí)，參數(shù)B、A、W、k均為常數(shù)，因此，感應(yīng)電勢(shì)e與線圈對(duì)磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v或ω成正比，這就是動(dòng)圈式磁電傳感器的工作原理。k——依賴于結(jié)構(gòu)的系數(shù)，k<1；當(dāng)線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直，θ=90o，則線圈中的感應(yīng)電勢(shì)為二、結(jié)構(gòu)類型磁電式恒磁通式變磁阻式變磁通動(dòng)圈式動(dòng)磁式N線速度型角速度型恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈也可以是磁鐵。變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化。01021.恒定磁通磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理動(dòng)圈式結(jié)構(gòu)類型磁電感應(yīng)式傳感器恒磁通式在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、W、S均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測(cè)量線速度或角速度。如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測(cè)量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)類型磁電感應(yīng)式傳感器v永久磁鐵的磁力線從其一端穿過套筒、線圈骨架和螺管線圈，并經(jīng)過殼體回到磁鋼的另一端，構(gòu)成一個(gè)閉合磁路，當(dāng)傳感器受振時(shí)，線圈與永久磁鐵之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線，使傳感器輸出正比于振動(dòng)速度的電壓信號(hào)。2.變磁通磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理變磁通式又稱(變)磁阻式或變氣隙式，常用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。開磁路變磁通式傳感器工作原理：線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。開磁路動(dòng)鐵式變磁通式傳感器極掌永久磁鐵線圈鐵心

圖中橢圓形鐵心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使空氣氣隙時(shí)而變大，時(shí)而變小，從而使磁路系統(tǒng)的磁阻產(chǎn)生周期性的變化（則使磁通變化），這時(shí)固定在磁極上的線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

式中，A為線圈截面積，B=Bmax－Bmin，Bmax為最大磁通密度，而Bmin為最小磁通密度。同理，當(dāng)傳感器已定后，W、B、A均為常數(shù)。線圈中感應(yīng)電勢(shì)正比于鐵心運(yùn)動(dòng)的角速度（2ω為變化頻率）。閉磁路變磁通式傳感器它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。三、磁電式傳感器基本特性當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖所示，磁電傳感器的輸出電流Io為磁電式傳感器測(cè)量電路式中：Rf——測(cè)量電路輸入電阻；R——線圈等效電阻。傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為傳感器的電流靈敏度為當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。相對(duì)誤差為1.非線性誤差產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是：由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通φI，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化,如圖所示。當(dāng)傳感器線圈相對(duì)于永久磁鐵磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢(shì)e和較大的電流I，由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作磁場(chǎng)方向相反，減弱了工作磁場(chǎng)的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測(cè)速度的增大而降低。123654傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。結(jié)果是線圈運(yùn)動(dòng)速度方向不同時(shí)，傳感器的靈敏度具有不同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加,即這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖所示方向相反時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)e、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與工作磁場(chǎng)同向，從而增大了傳感器的靈敏度。補(bǔ)償線圈為補(bǔ)償附加磁場(chǎng)干擾，可在傳感器中加入補(bǔ)償線圈。補(bǔ)償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流。適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù)，可使其產(chǎn)生交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通相互抵消，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?.溫度誤差當(dāng)溫度變化時(shí)，上式中右邊三項(xiàng)都不為零，對(duì)銅線而言每攝氏度變化量為dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對(duì)鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，這樣由上式可得近似值如下：相對(duì)誤差溫度補(bǔ)償這一數(shù)值是很可觀的，所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償通常采用熱磁分流器。熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。它在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。四、磁電式傳感器的測(cè)量電路信號(hào)輸出測(cè)量電路直接輸出電動(dòng)勢(shì)測(cè)量速度；接入積分電路測(cè)量位移；接入微分電路測(cè)量加速度。五、磁電感應(yīng)式傳感器的特點(diǎn)

磁電傳感器是目前振動(dòng)測(cè)量中常用的一種測(cè)速傳感器。1、主要優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，性能穩(wěn)定、輸出阻抗低以及輸出信號(hào)在工作范圍內(nèi)與被測(cè)量有比例關(guān)系。其中，由于輸出阻抗低．降低了對(duì)絕緣和后續(xù)測(cè)量?jī)x器的要求，使連接電纜的噪聲干擾也因此大為減小，這是它突出的優(yōu)點(diǎn)。其次，由于傳感器的輸出信號(hào)是正比于被測(cè)量的電壓信號(hào)，有利于直接放大指標(biāo)，如果要求指示出振動(dòng)幅值和加速度，只要在放大器中附加適當(dāng)?shù)姆e分或微分電路就能方便地得到。

磁電式振動(dòng)傳感器是慣性式傳感器，不需要靜止的基準(zhǔn)參考，可直接裝在被測(cè)體上。傳感器是發(fā)電型傳感器，工作時(shí)可不加電壓，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。磁電感應(yīng)式傳感器的特點(diǎn)傳感器中存在有容易磨損的部件、隨著使用時(shí)間的增加，其性能將發(fā)生變化，需要定期檢修．檢修后又要重新標(biāo)定，雖然質(zhì)量較好的傳感器的檢修周期可長(zhǎng)達(dá)3000～5000h.但一般的傳感器只有幾百個(gè)小時(shí)。另外，磁電傳感器的工作溫度不高，普通的傳感器只能在120℃以下，即使采取了一些特殊措施的磁電傳感器，它的最高工作溫度也只有425℃。這就限制了這類傳感器在高溫環(huán)境中的應(yīng)用。磁電傳感器的高頻響應(yīng)也不夠好，在體積和重量方面也還比較笨重。2、主要缺點(diǎn)：磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)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(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。常用地測(cè)振傳感器有動(dòng)鐵型振動(dòng)傳感器、動(dòng)圈型振動(dòng)速度傳感器等。應(yīng)用：航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究都可使用磁電式傳感器。010203磁電式傳感器的應(yīng)用測(cè)振傳感器1、測(cè)速度、轉(zhuǎn)速、位移及振動(dòng)動(dòng)圈式動(dòng)鐵式是一種基于電磁感應(yīng)定律的定量測(cè)量血流的儀器。一般是在血管暴露的情況下從血管外壁進(jìn)行測(cè)量。

將磁場(chǎng)垂直加于血流體上，由于血流導(dǎo)電，在流體中產(chǎn)生與血流和磁場(chǎng)方向都垂直的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E=BDv，式中B為磁感應(yīng)密度，D為電極間距離，v為血管截面上血流平均速度。由此得到的血流平均速度乘以血管截面積，即得到血流量。

當(dāng)扭距作用在轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1、u2存在相位差，相差與扭距的扭轉(zhuǎn)角成正比，傳感器可以將扭距引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。轉(zhuǎn)軸測(cè)量電路磁電傳感器1磁電傳感器2齒型轉(zhuǎn)盤u1u2

2、磁電式扭距傳感器

u

ωt3.動(dòng)圈式傳