磁电式传感器

1、2022-4-2412022-4-242应用实例应用实例：2022-4-243磁电式传感器磁电式传感器Magnetoelectric sensorw 磁电式传感器利用磁电式传感器利用电电磁感应原理磁感应原理，将输入，将输入运动速度变换成感应运动速度变换成感应电势输出的传感器。电势输出的传感器。有时也称作有时也称作电动式电动式或或感应式感应式传感器。传感器。w 不需辅助电源，是一种不需辅助电源，是一种能量转换型传感能量转换型传感器器、有源传感器有源传感器。2022-4-244主要内容主要内容1.基本原理与结构型式基本原理与结构型式2.磁电式传感器的动态特性磁电式传感器的动态特性3.磁电式传感器的

2、误差与补偿磁电式传感器的误差与补偿4.磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用5.霍尔传感器霍尔传感器6.其他磁敏传感器其他磁敏传感器磁电式传感器磁电式传感器Magnetoelectric sensor2022-4-2455.1 基本原理与结构型式基本原理与结构型式1. 基本原理：基本原理：磁通量磁通量线圈匝数；线圈匝数；感应电动势：感应电动势： WdtdWe电磁感应定律：电磁感应定律： 当当W W匝线圈在恒磁场内运动时，设穿过匝线圈在恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为线圈的磁通为，则线圈内的感应电势，则线圈内的感应电势e e与与磁通变化率磁通变化率d/dtd/dt有如下关系：有如下关系：2022

3、-4-246动铁式动铁式动圈式动圈式磁通变化率与磁场强磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中速度有关，改变其中一个因素，都会改变一个因素，都会改变感应电动势。感应电动势。 线线圈圈运运动动速速度度线线路路磁磁阻阻磁磁场场强强度度匝匝数数。通通常常不不变变化化的的因因素素影影响响感感应应电电动动势势Bdd:tWdtdWe 磁电式磁电式恒磁通式恒磁通式变磁通式变磁通式（变磁阻式）（变磁阻式）线速度型线速度型角速度型角速度型5.1 基本原理与结构型式基本原理与结构型式因此磁电式传感器的分类：因此磁电式传感器的分类：测转速测转速测频数测频数测偏心测偏心测振动测振动 磁

4、阻式磁阻式2022-4-2475.1 基本原理与结构型式基本原理与结构型式2. 结构型式：结构型式：变磁通式变磁通式和和恒磁通式恒磁通式（1 1）变磁通式变磁通式( (变磁阻式变磁阻式) )：旋转型和平移型：旋转型和平移型 e=-AWBcos(2)t2022-4-2485.1 基本原理与结构型式基本原理与结构型式（2 2）恒磁通式恒磁通式：动圈式和动铁式：动圈式和动铁式e=Bl v2022-4-2495.2 磁电式传感器的动态特性磁电式传感器的动态特性w可以把图可以把图5-25-2所示的测振传感器等效所示的测振传感器等效为一个集中参数为一个集中参数“m m- -k k- -c c”的二阶系的二

5、阶系统，如图统，如图5-35-3。w惯性式传感器惯性式传感器：测量物体振动时，传感器壳体与振动体刚性固测量物体振动时，传感器壳体与振动体刚性固连，随被测体一起振动。连，随被测体一起振动。质量块质量质量块质量m m较大，弹簧弹性系数较大，弹簧弹性系数k k较小，被测较小，被测体振动频率足够高。体振动频率足够高。振动能量几乎全被弹簧吸收，振动能量几乎全被弹簧吸收，弹簧的变形量接弹簧的变形量接近等于被测体的振幅近等于被测体的振幅。2022-4-24105.2 磁电式传感器的动态特性磁电式传感器的动态特性w 惯性式磁电传感器测振动特性：惯性式磁电传感器测振动特性： 当被测体的振动频率当被测体的振动频率

6、低于传感器的低于传感器的固有频率固有频率0 0，即，即/ / 0 0133，灵敏度接近为一常数，传感器输出电灵敏度接近为一常数，传感器输出电压与振动速度成正比，这一频段即传压与振动速度成正比，这一频段即传感器的工作频段，或称作感器的工作频段，或称作频响范围频响范围，这时传感器可看作一个理想的速度传这时传感器可看作一个理想的速度传感器。感器。 当频率更高时，灵敏度随频率的增加当频率更高时，灵敏度随频率的增加而下降。而下降。u 一般惯性式传感器固有频率一般惯性式传感器固有频率0 0=10Hz=10Hz，较好的可做到，较好的可做到0 0=4.5Hz=4.5Hz。上限频率为。上限频率为200Hz200

7、Hz1000Hz1000Hz。2022-4-2411磁电式传感器的特点：磁电式传感器的特点： 零位及性能稳定。零位及性能稳定。 工作频带工作频带10101000Hz1000Hz。 具有双向转换功能，可构成力（矩）发生具有双向转换功能，可构成力（矩）发生器和电磁激振器。器和电磁激振器。 被测对象：被测对象：动态被测量动态被测量，如速度，加速度、振动，如速度，加速度、振动 输出信号：输出信号：电压信号输出电压信号输出，且输出功率大，故配用电路，且输出功率大，故配用电路较简单。较简单。2022-4-24125.3 磁电式传感器的误差及补偿磁电式传感器的误差及补偿Error and compensat

8、ion1. 非线性误差非线性误差2. 温度误差温度误差3. 永久磁铁的稳定性永久磁铁的稳定性2022-4-24131.非线性误差非线性误差Nonlinearity errorw产生误差的主要原因及其补偿措施：产生误差的主要原因及其补偿措施：由于传感器线圈电流变化产生的附加磁通由于传感器线圈电流变化产生的附加磁通叠加于永久磁铁产上的气隙磁通上，使恒叠加于永久磁铁产上的气隙磁通上，使恒定的气隙磁通变化。（见图定的气隙磁通变化。（见图5-65-6）n 措施措施：加补偿线圈（见图：加补偿线圈（见图5-2(a)5-2(a)）气隙磁场不均匀。气隙磁场不均匀。n 措施措施：加反向磁片（见图：加反向磁片（见图

9、5-75-7）2022-4-24142. 温度误差温度误差Temperature errorw 温度的变化将导致线圈匝长以及导线电温度的变化将导致线圈匝长以及导线电阻率的变化，磁阻的变化以及磁导率的阻率的变化，磁阻的变化以及磁导率的变化等。变化等。措施措施：热磁温度补偿（见图：热磁温度补偿（见图5-85-8）2022-4-24153. 永久磁铁的稳定性永久磁铁的稳定性Stablity of permanent magnetw当测量电路的输入电阻当测量电路的输入电阻R Rf fR R时，永久磁铁的稳定时，永久磁铁的稳定性将成为误差的决定因素。因为永久磁铁的磁通量性将成为误差的决定因素。因为永久磁

10、铁的磁通量密度的稳定性直接影响工作气隙中磁通量密度的稳密度的稳定性直接影响工作气隙中磁通量密度的稳定性。定性。w几种稳磁处理措施：几种稳磁处理措施：时间稳定性时间稳定性交流强制退磁，交流强制退磁，“小电流老化小电流老化”或叫做去或叫做去“虚虚磁磁”。温度稳定性温度稳定性高低温时效稳磁处理。高低温时效稳磁处理。外磁场作用下的稳定性外磁场作用下的稳定性“人工老化人工老化”或采取屏蔽措施。或采取屏蔽措施。机械振动作用下的稳定性机械振动作用下的稳定性 冲击、振动试验冲击、振动试验2022-4-24165.4 磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用1.1. 测振传感器测振传感器（1 1）动铁式振动传感器（

11、见图）动铁式振动传感器（见图5-105-10）（2 2）动圈式振动速度传感器（见图）动圈式振动速度传感器（见图5-115-11）2.2. 磁电式力发生器与激振器磁电式力发生器与激振器u磁电式传感器具有双向转换特性。如果给速磁电式传感器具有双向转换特性。如果给速度传感器的线圈输入电量，那么其输出为机度传感器的线圈输入电量，那么其输出为机械量。（见图械量。（见图5-125-12）u磁电式激振器特点：（与压电激振器比较）磁电式激振器特点：（与压电激振器比较） 振动幅度大振动幅度大 振动频率较低振动频率较低2022-4-2417： 现有现有非导磁非导磁圆盘如图所示，想用磁电式传感器测量圆盘如图所示，想

12、用磁电式传感器测量该圆盘的平均转速，问：该圆盘的平均转速，问：(1)如何安装、设计磁电式传感器测量转速系统？如何安装、设计磁电式传感器测量转速系统？(2)画出传感器输出电压波形。画出传感器输出电压波形。(3)画出测量系统电路功能框图。画出测量系统电路功能框图。(4)写出平均转速的计算公式。写出平均转速的计算公式。思考题：思考题：(1)如何在系统安装上，提高转速测量的分辨力？如何在系统安装上，提高转速测量的分辨力？(2)如何从设计原理上提高测量精度？如何从设计原理上提高测量精度？n2022-4-2418：& (1)磁电传感器测转速系统安装图磁电传感器测转速系统安装图：& (2)传

13、传感器输出电压感器输出电压u u的波形的波形：传感器传感器n磁片磁片ut0一个转动周期一个转动周期2022-4-2419& (3)测量系统电路框图测量系统电路框图：被测对象被测对象磁电传感器磁电传感器信号调理电路信号调理电路计数器计数器 在设定时间在设定时间T T（秒）内，对传感器输出正（秒）内，对传感器输出正脉冲或负脉冲个数进行计数脉冲或负脉冲个数进行计数N N，设转动平台上，设转动平台上安装安装a a个磁片，则待测平均转速个磁片，则待测平均转速n n（转（转/ /分）：分）：& (4)转速测量方法转速测量方法：n=60(N/a)/T=60N/(aT) （转（转/分）分）20

14、22-4-2420& 在系统安装上，提高转速测量的分辨力的在系统安装上，提高转速测量的分辨力的方法是方法是增加磁片的个数增加磁片的个数，减小脉冲间的对，减小脉冲间的对应的转动角度，提高转动角度的分辨能力，应的转动角度，提高转动角度的分辨能力，以提高转速测量分辨力。以提高转速测量分辨力。思考题思考题 (1): 如何在系统安装上，提高转速测量的分辨力？如何在系统安装上，提高转速测量的分辨力？2022-4-2421TT&增加磁片数增加磁片数a a或增大设定计数时间或增大设定计数时间T T， 以提高测量精度。以提高测量精度。 可见，计数器计数过程中，多计或少计一个脉冲所可见，计数器计数

15、过程中，多计或少计一个脉冲所引起的误差决定了测量精度。由引起的误差决定了测量精度。由n=N/(aT)(r/s) n=N/(aT)(r/s) ，可，可得得n=n=1/(aT)1/(aT)。思考题思考题 (2): 如何从设计原理上提高测量精度？如何从设计原理上提高测量精度？2022-4-24222022-4-24232022-4-24242022-4-24252022-4-24262022-4-2427 2022-4-2428 2022-4-2429 x0mcxm被测体被测体k图图5-3 二阶系统力学模型图二阶系统力学模型图等效为等效为2022-4-2430 振动速度振动速度v vvAvBvC理想

16、特性理想特性实际特性实际特性工作范围工作范围输出电压输出电压e e0图图5-5 5-5 磁电式传感器的输出特性磁电式传感器的输出特性 2022-4-24315.5 霍尔传感器霍尔传感器Hall sensor应用实例应用实例：2022-4-2432q霍尔效应霍尔效应1. 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件霍尔电势产生的实质霍尔电势产生的实质：运动：运动电荷在磁场中受洛伦兹力作电荷在磁场中受洛伦兹力作用的结果。用的结果。a.霍尔效应霍尔效应：将一载流导体放将一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与在磁场中，如果磁场方向与电流方向正交，则在与磁场电流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直方向上将会和电流两

17、者垂直方向上将会出现横向电势，这一现象称出现横向电势，这一现象称为霍尔效应，相应的电势称为霍尔效应，相应的电势称为霍尔电势。为霍尔电势。5.5 霍尔传感器霍尔传感器Hall sensor2022-4-2433b.霍尔电势霍尔电势 迁迁移移率率材材料料的的电电阻阻率率；，霍霍尔尔片片厚厚度度霍霍尔尔系系数数，霍霍尔尔灵灵敏敏度度，夹夹角角；电电流流方方向向与与磁磁场场方方向向的的电电流流强强度度；磁磁感感应应强强度度；霍霍尔尔电电势势； HHHHHHHHRdRdRKKIBVIBKV/sin2. 霍尔元件的形状霍尔元件的形状q用来制造霍尔元件的半导体片，几何形状用来制造霍尔元件的半导体片，几何形状

18、对输出的霍尔电势也有一定的影响，对输出的霍尔电势也有一定的影响，比值的函数。比值的函数。形状效应系数，它是形状效应系数，它是其中：其中：blblfblfIBdRVHH/)/(sin)/()/( 5.5 霍尔传感器霍尔传感器Hall sensor2022-4-24343.3. 霍尔元件的主要特性：霍尔元件的主要特性：1)1)额定激励电流额定激励电流I IH H：通常定义使霍尔片温升：通常定义使霍尔片温升10100 0C C时所施加的电流值为额定激励电流时所施加的电流值为额定激励电流I IH H。2)2)不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿：当磁感应强度为零，：当磁感应强度为零，元件通以额定激励电

19、流元件通以额定激励电流I IH H时，霍尔电极间时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势，或者叫零位的空载电势称为不等位电势，或者叫零位电势。电势。3)3)温度特性及其补偿温度特性及其补偿5.5 霍尔传感器霍尔传感器Hall sensor2022-4-24354. 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用测量交、直流磁感应强度、磁场强度等测量交、直流磁感应强度、磁场强度等测量交、直流电流、电压等参数测量交、直流电流、电压等参数微位移测量微位移测量其他物理量测量：霍尔式钢丝绳断丝检测。其他物理量测量：霍尔式钢丝绳断丝检测。5.5 霍尔传感器霍尔传感器Hall sensor2022-4-2436霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍