第5章磁电式传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是一种通过磁电作用，将被测磁电式传感器是一种通过磁电作用，将被测量转换成电信号的传感器。常用的磁电式传感器量转换成电信号的传感器。常用的磁电式传感器有有磁电感应式传感器磁电感应式传感器、磁栅式传感器磁栅式传感器、霍尔式传霍尔式传感器感器及各种及各种磁敏元件磁敏元件等。等。第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器磁电式振动速度传感器磁电式振动速度传感

2、器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器防爆磁电式振动速度传感器防爆磁电式振动速度传感器第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .4 磁敏元件磁敏元件 5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器简称磁电感应式传感器简称感应式传感器感应式传感器。它利。它利用用电磁感应原理电磁感应原理，将输入的运动速度变换成感应，将输入的运动速度变换成感应电势输出。这种传感器属电势输出。这种传感器属双向传感器双向传感器，反向使用，反向使用时可构成力时可构成力( (力矩力矩) )发

3、生器或电磁激振器等，所以发生器或电磁激振器等，所以也称也称电动式传感器电动式传感器。它是一种机。它是一种机电电能量变换型能量变换型传感器传感器，不需要供电电源，测量电路简单，输出，不需要供电电源，测量电路简单，输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽( (10 1000 Hz) )，所以得到普遍应用。，所以得到普遍应用。 缺点是尺寸和重量都较大。缺点是尺寸和重量都较大。5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器双向传感器：双向传感器：磁电式磁电式传感器传感器机机电电5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和

4、结构形式5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .6 应用举例应用举例 根据根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律，线圈切割磁力，线圈切割磁力线或其中的磁通变化时，线圈中所产生的感应线或其中的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势为：电动势为：磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关。速度有关。 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒磁通式恒磁通式和和变磁通式变磁通式。tNedd5.

5、 .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 1. .恒磁通式恒磁通式 磁路系统产生恒定的直流磁场，工作气隙固磁路系统产生恒定的直流磁场，工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变。感应电势是定不变，气隙中的磁通也恒定不变。感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线而产由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线而产生的。运动部件可以是线圈或磁铁，因此结构上生的。运动部件可以是线圈或磁铁，因此结构上又分为又分为动圈式动圈式和和动铁式动铁式两种。两种。5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式vNS15432NS1234

6、5( (b) )动铁式动铁式( (a) )动圈式动圈式1弹簧；弹簧；2线圈骨架；线圈骨架；3壳体；壳体；4永久磁铁；永久磁铁；5线圈线圈 5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 动圈式和动铁式的工作原理相同。线圈和磁动圈式和动铁式的工作原理相同。线圈和磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势为：铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势为：).(15BlNe式中，式中，N为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为为工作匝数工作匝数。 传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：).(/25nBlNeS5.

7、 .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 显然，显然，为提高灵敏度可设法增大为提高灵敏度可设法增大B、l与与N。但应综合考虑传感器的材料、重量、体积、内阻、但应综合考虑传感器的材料、重量、体积、内阻、工作频率等因素。工作频率等因素。 当传感器的结构一定时，当传感器的结构一定时，e正比于正比于 ，故，故只适只适用于动态测量用于动态测量。这种传感器的基型是一种速度传。这种传感器的基型是一种速度传感器，若在测量电路中加上积分或微分电路，也感器，若在测量电路中加上积分或微分电路，也可测位移或加速度。可测位移或加速度。 5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 2. .变磁通

8、式变磁通式 这类传感器的线圈和磁铁都是静止的，感应这类传感器的线圈和磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生。根据磁路的不同，又分电势由变化的磁通产生。根据磁路的不同，又分开磁路开磁路和和闭磁路闭磁路两种。两种。5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 ( (1) )开磁路变磁通式开磁路变磁通式 感应电势的频率感应电势的频率f 取决取决于齿轮的齿数于齿轮的齿数z和转速和转速n( (r/ /min) )，它们的关系为：，它们的关系为：).(3560zfn 1齿轮；齿轮；2线圈；线圈；3软铁；软铁；4永久磁铁永久磁铁N S14325. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构

9、形式 ( (2) )闭磁路变磁通式闭磁路变磁通式 当转轴连接到被测轴当转轴连接到被测轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动。上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动。2线圈；线圈；4永永久磁铁；久磁铁；5外齿外齿轮；轮；6内齿轮内齿轮 24565. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .6 应用举例应用举例5. .1. .2 动态特性动态特性 它是双向的机它是双向的机电型传感器

10、，可借助双向电型传感器，可借助双向传感器理论分析其动态特性，详细推导参考以传感器理论分析其动态特性，详细推导参考以下文献：下文献： 1 单成祥单成祥. .传感器的理论与设计基础及其传感器的理论与设计基础及其应用应用. .国防工业出版社国防工业出版社, ,1999. . 2 贾伯年贾伯年. .传感器技术传感器技术( (修订版修订版).).东南大学东南大学出版社出版社, ,2000. .5. .1. .2 动态特性动态特性 测量时将传感器的壳体与被测物体以足够大测量时将传感器的壳体与被测物体以足够大的刚度联结在一起。传感器输入量为速度的刚度联结在一起。传感器输入量为速度 ，输，输出量为感应电势出量

11、为感应电势e。RfeNS 5. .1. .2 动态特性动态特性 设负载呈现电阻特性，且阻抗设负载呈现电阻特性，且阻抗Rf远大于线圈远大于线圈阻抗；动圈部分的固有角频率为阻抗；动圈部分的固有角频率为w w0，质量为，质量为m；电磁阻尼系数为电磁阻尼系数为c。则其频率响应函数为：。则其频率响应函数为：).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5. .1. .2 动态特性动态特性可绘出幅频特性曲线如图所示。可绘出幅频特性曲线如图所示。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1

12、. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .6 应用举例应用举例5. .1. .3 设计要点设计要点 磁电感应式传感器的设计内容主要包括：磁磁电感应式传感器的设计内容主要包括：磁路设计、线圈组件设计、固有频率计算、弹簧设路设计、线圈组件设计、固有频率计算、弹簧设计、阻尼系数计算和阻尼器设计等。计、阻尼系数计算和阻尼器设计等。 5. .1. .3 设计要点设计要点 1. .磁路设计磁路设计 为减小传感器体积，为减小传感器体积，一般采

13、用永久磁铁作为一般采用永久磁铁作为产生恒定直流磁场的主要元件产生恒定直流磁场的主要元件。磁路设计的一般。磁路设计的一般方法是，先由传感器外形尺寸方法是，先由传感器外形尺寸( (通常由技术条件给通常由技术条件给定定) )确定其大致尺寸，然后选取工作气隙尺寸及永确定其大致尺寸，然后选取工作气隙尺寸及永久磁铁的材料和工作点，最后计算永久磁铁的尺久磁铁的材料和工作点，最后计算永久磁铁的尺寸和工作气隙中的磁感应强度。寸和工作气隙中的磁感应强度。 5. .1. .3 设计要点设计要点 2. .线圈组件设计线圈组件设计 线圈厚度线圈厚度h( (D3D2) )/ /2，骨架厚度骨架厚度t( (D2D1) )/

14、 /2，为保，为保证线圈组件在工作气隙中灵活证线圈组件在工作气隙中灵活运动，不发生摩擦，应满足：运动，不发生摩擦，应满足：(5.11)dththLD1D2D35. .1. .3 设计要点设计要点 线圈组件长度线圈组件长度L取决于取决于工作气隙长度工作气隙长度ld和振动位移和振动位移峰峰-峰值峰值lp，为了避免因不均，为了避免因不均匀漏磁通分布造成输出特性匀漏磁通分布造成输出特性出现过大的非线性，通常将出现过大的非线性，通常将线圈组件的长度给出线圈组件的长度给出30 %的的余量，即：余量，即：).()(1253 . 1pdllLthLD1D2D35. .1. .3 设计要点设计要点 3. .动态

15、参数的计算动态参数的计算 ( (1) )固有频率计算固有频率计算 根据动态特性可知，根据动态特性可知，只只有有w ww w0时时，才能保证一定的测量精度，才能保证一定的测量精度。 增大动圈增大动圈( (或动铁或动铁) )部分的质量，或者选择较部分的质量，或者选择较柔软的弹簧，都可降低固有频率，因柔软的弹簧，都可降低固有频率，因w w02k/ /m。选择柔软的弹簧有利于减小传感器体积、重量及选择柔软的弹簧有利于减小传感器体积、重量及附加在振动体上的载荷。附加在振动体上的载荷。5. .1. .3 设计要点设计要点( (2) )弹簧设计弹簧设计 当当w w0及及m已知时，可根据已知时，可根据kmw

16、w02计算弹簧刚度计算弹簧刚度k。但这里计算的是。但这里计算的是总刚度总刚度。磁电感应式传感器通常由磁电感应式传感器通常由两个弹簧并联两个弹簧并联工作，总工作，总刚度等于两个弹簧刚度的和。刚度等于两个弹簧刚度的和。5. .1. .3 设计要点设计要点 ( (3) )阻尼计算和阻尼器设计阻尼计算和阻尼器设计 磁电感应式传磁电感应式传感器中，适当地引入阻尼可以衰减自由振荡，降感器中，适当地引入阻尼可以衰减自由振荡，降低共振峰，改善频响特性，提高测量精度。常用低共振峰，改善频响特性，提高测量精度。常用的阻尼器的阻尼器有空气阻尼器有空气阻尼器、硅油阻尼器硅油阻尼器和和电磁阻尼电磁阻尼器器。电磁阻尼器。

17、电磁阻尼器( (往往就是线圈的金属骨架往往就是线圈的金属骨架) )结构结构简单，阻尼系数受温度影响也不大，较多采用。简单，阻尼系数受温度影响也不大，较多采用。5. .1. .3 设计要点设计要点电磁阻尼的原理是，当金属骨架相对于永久电磁阻尼的原理是，当金属骨架相对于永久磁铁运动时，相当于闭合线圈作切割磁力线运动，磁铁运动时，相当于闭合线圈作切割磁力线运动，从而产生感应电势。感应电势导致在金属骨架内从而产生感应电势。感应电势导致在金属骨架内产生感应电流，此电流在磁场中又会受到与线圈产生感应电流，此电流在磁场中又会受到与线圈运动方向相反的洛仑兹力作用，起到阻碍运动的运动方向相反的洛仑兹力作用，起到

18、阻碍运动的效果。效果。5. .1. .3 设计要点设计要点 对于对于理想的粘性阻尼理想的粘性阻尼( (阻尼力与速度阻尼力与速度 成成正比正比) )，若忽略漏磁和杂散磁场，则电磁阻尼，若忽略漏磁和杂散磁场，则电磁阻尼系数系数c为为).(/135d2tlDBc 5. .1. .3 设计要点设计要点 确定动圈确定动圈( (或动铁或动铁) )部分的部分的w w0与与m后，传感器后，传感器的电磁阻尼系数的电磁阻尼系数c与阻尼比与阻尼比x x( (一般取一般取0.60.7) )的的关系为：关系为：).(145 20 xwmc 可通过改变可通过改变t来调节来调节c的大小，以得到较好的的大小，以得到较好的频响

19、特性。频响特性。 /0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .6 应用举例应用举例5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 接入测量电路后，磁电感应式传感器的输接入测量电路后，磁电感应式传感器的输出电流为：出电流为：iiRRBlNRRei)15. 5(iiiRRBLRRBlNiS式中，

20、式中，Ri为测量电路的输入电阻，为测量电路的输入电阻，R为线圈的等为线圈的等效电阻。传感器的电流灵敏度为：效电阻。传感器的电流灵敏度为：式中，式中，LlN为工作气隙中线圈的总长度。为工作气隙中线圈的总长度。5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。电流灵敏度的相对误差为：化而产生测量误差。电流灵敏度的相对误差为：)16. 5(ddddiiiRRRLLBBSS)15. 5(iiiRRBLRRBlNiS5. .1. .4

21、误差及补偿误差及补偿 1. .永久磁铁稳定性分析永久磁铁稳定性分析 Bm的稳定性直接影响的稳定性直接影响B的稳定性。的稳定性。 ( (1) )时间因素的影响时间因素的影响 试验表明，永久磁试验表明，永久磁铁的磁性能一般随时间而变。铁的磁性能一般随时间而变。 ( (2) )外界磁场的影响外界磁场的影响 永久磁铁受到外界永久磁铁受到外界交流磁场或反向直流磁场作用时，工作点不能交流磁场或反向直流磁场作用时，工作点不能保持稳定，将使保持稳定，将使B发生变化。发生变化。5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 ( (3) )温度的影响温度的影响 试验结果表明，温度试验结果表明，温度，Br，且一般不能恢复

22、到原位置，恢复程度主要，且一般不能恢复到原位置，恢复程度主要与材料冶金结构的稳定性有关。与材料冶金结构的稳定性有关。 ( (4) )振动与冲击的影响振动与冲击的影响 受到机械振动或冲受到机械振动或冲击作用之后，内应力增加，部分磁分子排列发生击作用之后，内应力增加，部分磁分子排列发生变化，导致磁性能变坏。变化，导致磁性能变坏。5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 2. .温度误差温度误差 当温度变化时，式当温度变化时，式( (5. .16) )中三项都不为零。中三项都不为零。对铜线，对铜线，dL/ /L0.167104/，dR/ /R0.43 102/。对于铝镍钴永磁合金，。对于铝镍钴永磁合

23、金，dB/ /B0.02 102/，这样，由式，这样，由式( (5. .16) )可得近似值：可得近似值：C/%45. 0)16. 5(ddddiiiRRRLLBBSS5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 补偿通常采用补偿通常采用热磁分流器热磁分流器。它由具有很大。它由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成，在正常工作负温度系数的特殊磁性材料做成，在正常工作温度下将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度温度下将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例显著降低，空气分流掉的磁通占总磁通的比例显著降低，空

24、气隙中的工作磁通增加，使输出增加，从而抵消隙中的工作磁通增加，使输出增加，从而抵消因因R增加造成的输出减小。增加造成的输出减小。5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 3. .非线性误差分析非线性误差分析 ( (1) )线圈的磁场效应线圈的磁场效应 产产生非线性误差的主要原因是，生非线性误差的主要原因是，传感器线圈内有电流流过，将传感器线圈内有电流流过，将产生与工作磁通相反的磁通。产生与工作磁通相反的磁通。线圈运动速度越大，反向磁场线圈运动速度越大，反向磁场越强，使得传感器的灵敏度随越强，使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。着被测速度的增大而降

25、低。5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 为此，可加入补偿为此，可加入补偿线圈。补偿线圈可以和线圈。补偿线圈可以和工作线圈串联但绕向相工作线圈串联但绕向相反。也可让补偿线圈中反。也可让补偿线圈中通过由测量电路反馈的通过由测量电路反馈的放大后的电流，则补偿放大后的电流，则补偿线圈的匝数可较少。线圈的匝数可较少。 12NS1工作线圈；工作线圈；2补偿线圈补偿线圈5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 ( (2) )气隙磁场不均匀气隙磁场不均匀 在在导磁帽上用机械方法强行固定导磁帽上用机械方法强行固定一个与主磁钢充磁方向相反的一个与主磁钢充磁方向相反的铂钴磁片，把主磁钢的磁力线铂钴磁片，把主磁

26、钢的磁力线大部分压到工作气隙中。这样大部分压到工作气隙中。这样既可减少轴向漏磁，提高磁钢既可减少轴向漏磁，提高磁钢的利用系数，又可使磁场的均的利用系数，又可使磁场的均匀性增加，非线性误差减小。匀性增加，非线性误差减小。12NS1铂钴磁片；铂钴磁片；2磁帽磁帽 5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿 ( (3) )电磁阻尼器引起的非线性电磁阻尼器引起的非线性 传感器采用传感器采用电磁阻尼器时，也将使其非线性增大。所以，电磁阻尼器时，也将使其非线性增大。所以，精度要求较高时，最好不要用电磁阻尼器。精度要求较高时，最好不要用电磁阻尼器。5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .1

27、 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .6 应用举例应用举例5. .1. .5 测量电路测量电路 磁电感应式传感器直接输出感应电势，磁电感应式传感器直接输出感应电势，且通常具有较高的灵敏度，因而对测量电路且通常具有较高的灵敏度，因而对测量电路一般无特殊要求。一般无特殊要求。它一般用于测振动速度它一般用于测振动速度。如要进一步获取振动位移或振动加速度，可如要进一步获取振动位移或振动加速度，可配用适当的积分电路或微分电路。配用适当的积分电

28、路或微分电路。5. .1. .5 测量电路测量电路 选择开关选择开关Sw接通线接通线1时，得到的是振动速度时，得到的是振动速度信号。信号。Sw接通线接通线2时，经过积分电路处理，得到时，经过积分电路处理，得到的是振动位移信号。接通线的是振动位移信号。接通线3时，得到的是振动时，得到的是振动加速度信号。加速度信号。前置放大微分电路积分电路主放电路显示或记录磁电式传感器量程选择Sw1235. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5

29、. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .6 应用举例应用举例 1. .磁电感应式扭矩仪磁电感应式扭矩仪 测扭矩时，需两个传感器，并让转轴以一测扭矩时，需两个传感器，并让转轴以一定的角速度转动，在两个传感器中产生波形近定的角速度转动，在两个传感器中产生波形近似为正弦波的两个感应电势。似为正弦波的两个感应电势。5. .1. .6 应用举例应用举例5. .1. .6 应用举例应用举例 被测轴无外加扭矩时，被测轴无外加扭矩时，扭转角扭转角为零。被测轴为零。被测轴感受扭矩时，轴的两端将产生扭转角感受扭矩时，轴的两端将产生扭转角 ，在弹性范，在弹性范围内，扭转角与扭矩成正比，两个感应电势将因围内

30、，扭转角与扭矩成正比，两个感应电势将因扭转角而产生附加相位差扭转角而产生附加相位差F F。设定子。设定子( (或转子或转子) )的的齿数为齿数为z，则，则 和和F F的关系为：的关系为：)17. 5(Fz5. .1. .6 应用举例应用举例 2. .测振传感器测振传感器 图示为图示为CD-1型振动速度传感器。型振动速度传感器。 3 4 56718121圆形弹簧片；圆形弹簧片；2圆环形阻尼器；圆环形阻尼器；3心轴；心轴；4铝架；铝架；5永久磁铁；永久磁铁；6壳体；壳体；7工作线圈；工作线圈；8引线引线 5. .1. .6 应用举例应用举例用于飞机振动模态分析。用于飞机振动模态分析。5. .1.

31、.6 应用举例应用举例 3. .磁电感应式流量计磁电感应式流量计 导管绝缘，只要被测流体是导电的，水平方导管绝缘，只要被测流体是导电的，水平方向的两电极上就感应出电势。感应电势和单位时向的两电极上就感应出电势。感应电势和单位时间内通过导管横截面的流体体积成正比。间内通过导管横截面的流体体积成正比。NS差动放大输出5. .1. .6 应用举例应用举例 这种流量计虽要求流体必须是导电的，但它这种流量计虽要求流体必须是导电的，但它无机械可动部分，电极不妨碍流体的流动，不受无机械可动部分，电极不妨碍流体的流动，不受流体粘度的影响，受流速分布的影响也较小，具流体粘度的影响，受流速分布的影响也较小，具有很

32、宽的测量范围有很宽的测量范围( (0.005190000 m3/ /h) )及较高及较高的测量精度的测量精度( (可达可达0.5 %) )，并且可以双向测量。，并且可以双向测量。5. .1. .6 应用举例应用举例 4. .磁电式力发生器与激振器磁电式力发生器与激振器 给工作线圈输入电量时给工作线圈输入电量时可输出机械量。根据这一原可输出机械量。根据这一原理，可以构成挠性陀螺力矩理，可以构成挠性陀螺力矩器、电磁振动台等输出机械器、电磁振动台等输出机械量的装置。其中，量的装置。其中，电磁振动电磁振动台台作为激振器是机械结构动作为激振器是机械结构动态试验的重要设备。态试验的重要设备。1234567

33、181支承弹簧；支承弹簧；2壳体；壳体；3磁钢；磁钢；4顶杆；顶杆；5铁心；铁心；6磁极；磁极；7线圈；线圈；8试件试件 5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .1. .1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5. .1. .2 动态特性动态特性5. .1. .3 设计要点设计要点5. .1. .4 误差及补偿误差及补偿5. .1. .5 测量电路测量电路5. .1. .6 应用举例应用举例第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .4 磁敏元件磁敏元件 5. .2

34、磁栅式传感器磁栅式传感器 磁栅式传感器主要由磁栅式传感器主要由磁栅磁栅和和磁头磁头组成。磁栅组成。磁栅是利用磁带录音原理，将周期变化的电信号是利用磁带录音原理，将周期变化的电信号( (正弦正弦波或矩形波波或矩形波) )转换成圆形或长条形磁栅上等间距的转换成圆形或长条形磁栅上等间距的磁信号。装有磁栅式传感器的装置工作时，磁头磁信号。装有磁栅式传感器的装置工作时，磁头把磁栅上的磁信号读出来，即可把磁头与磁栅之把磁栅上的磁信号读出来，即可把磁头与磁栅之间的相对位置或相对运动速度转换成电信号。间的相对位置或相对运动速度转换成电信号。 5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器 磁栅式传感器的特点磁栅式传感器

35、的特点 ( (1) )录制方便，成本低廉，当录制的磁栅信录制方便，成本低廉，当录制的磁栅信号不合适的时候可抹去重录。号不合适的时候可抹去重录。 ( (2) )使用方便，可以在仪器或机床上安装好使用方便，可以在仪器或机床上安装好后再录制磁栅信号，因而可避免安装误差。后再录制磁栅信号，因而可避免安装误差。 ( (3) )可方便地录制任意节距的磁栅信号。可方便地录制任意节距的磁栅信号。5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器 磁栅式传感器的应用磁栅式传感器的应用 ( (1) )可作为高精度的长度或角度测量仪器使可作为高精度的长度或角度测量仪器使用。由于可采用激光定位录磁，故可得到较高用。由于可采用激光定

36、位录磁，故可得到较高的精度。目前系统精度可达的精度。目前系统精度可达0.01 mm/ /m，分，分辨力可达辨力可达15 m mm。 ( (2) )可用作自动化系统中的检测元件。例如可用作自动化系统中的检测元件。例如在三坐标测量机、程控数控机床及高精度重、在三坐标测量机、程控数控机床及高精度重、中型机床控制系统中，均有应用。中型机床控制系统中，均有应用。5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅式传感器实物图。磁栅式传感器实物图。5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .2. .1 类型和原理类型和原理5. .2. .2 测量系统测量系统5. .2. .1 类型和原理类型和原理 磁栅传感器磁栅传

37、感器的的类型类型主要取决于磁栅主要取决于磁栅，可分为，可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅两大类。两大类。工作原理则主要取决于工作原理则主要取决于磁头磁头，有，有动态磁头动态磁头和和静态磁头静态磁头之分。之分。12NSN SNNSN SN S S1. .磁栅的类型磁栅的类型 基本结构如图所示，基本结构如图所示，基体是用非导磁材料做成基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁的，上面镀一层均匀的磁性薄膜，并进行录磁。性薄膜，并进行录磁。1磁性薄膜；磁性薄膜；2磁栅基体磁栅基体5. .2. .1 类型和原理类型和原理 磁栅分磁栅分长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅两大类。前者用于两大类。前者用于测直线位

38、移或速度，后者用于测角位移或转速。测直线位移或速度，后者用于测角位移或转速。 NSNSSNS 长磁栅又分为长磁栅又分为尺型尺型、同轴同轴型型和和带型带型三种。尺型磁栅如图三种。尺型磁栅如图所示。工作时磁头沿磁尺的基所示。工作时磁头沿磁尺的基准面运动，不与磁尺接触，主准面运动，不与磁尺接触，主要用于精度要求较高的场合。要用于精度要求较高的场合。5. .2. .1 类型和原理类型和原理 同轴型磁栅同轴型磁栅如图所示如图所示，磁头套在磁棒上工，磁头套在磁棒上工作，两者之间有微小的间隙。磁棒的工作区被作，两者之间有微小的间隙。磁棒的工作区被磁头围住，对周围磁场起到很好的屏蔽作用，磁头围住，对周围磁场起

39、到很好的屏蔽作用，所以抗干扰能力强。结构小巧，可用于结构紧所以抗干扰能力强。结构小巧，可用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。凑的场合或小型测量装置中。NSSNNSSNSNNS5. .2. .1 类型和原理类型和原理带型磁栅如图所示。磁尺的录磁与工作均在带型磁栅如图所示。磁尺的录磁与工作均在张紧状态下进行。磁头在接触状态下读取信号，张紧状态下进行。磁头在接触状态下读取信号，能在振动环境中正常工作。为防止磁尺磨损，可能在振动环境中正常工作。为防止磁尺磨损，可在磁尺表面涂上几在磁尺表面涂上几m mm厚的保护层。其量程较大。厚的保护层。其量程较大。154321磁尺；磁尺；2软垫；软垫；3防尘屏蔽罩；防

40、尘屏蔽罩；4上压板；上压板；5拉紧板拉紧板5. .2. .1 类型和原理类型和原理圆磁栅传感器如图所示。磁头与磁盘之间应圆磁栅传感器如图所示。磁头与磁盘之间应有微小间隙以免磨损。有微小间隙以免磨损。1231磁盘；磁盘；2屏蔽罩；屏蔽罩；3磁头磁头 5. .2. .1 类型和原理类型和原理 2. .磁头类型、结构及工作原理磁头类型、结构及工作原理 按读取信号的方式，磁头有按读取信号的方式，磁头有动态磁头动态磁头与与静态静态磁头磁头两种。两种。 ( (1) )动态磁头动态磁头 动态磁动态磁头为头为非调制式磁头非调制式磁头，又称，又称速速度响应式磁头度响应式磁头，它只有一组，它只有一组线圈。铁心由铁

41、镍合金片叠线圈。铁心由铁镍合金片叠成，前端夹着铜片，后端磨成，前端夹着铜片，后端磨光靠紧。光靠紧。5. .2. .1 类型和原理类型和原理 设线圈匝数为设线圈匝数为N，磁信号节距为，磁信号节距为W。当磁头以。当磁头以速度速度 相对于长磁栅移动时，磁头中的磁通量相对于长磁栅移动时，磁头中的磁通量 近近似按正弦规律变化，设其峰值为似按正弦规律变化，设其峰值为 m，可写成，可写成：)18. 5(2sinmWx5. .2. .1 类型和原理类型和原理 由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电势势e，其表达式为：，其表达式为：)19. 5(2cosddddddddWxAx

42、NtxxNtNe 由上式可知，相对运动速度为零时无信号由上式可知，相对运动速度为零时无信号输出，因此它输出，因此它不适于测位移不适于测位移。 5. .2. .1 类型和原理类型和原理( (2) )静态磁头静态磁头 静态磁头是静态磁头是调制式磁头调制式磁头，又称又称磁通响应式磁头磁通响应式磁头。它与动态磁头的区别在。它与动态磁头的区别在于，在磁头与磁栅之间无相对运动的情况下也于，在磁头与磁栅之间无相对运动的情况下也有信号输出。有信号输出。5. .2. .1 类型和原理类型和原理磁栅漏磁通磁栅漏磁通 0的一部分的一部分 2通过磁通过磁头铁心，另一部分头铁心，另一部分 3通过气隙。设气通过气隙。设气

43、隙磁阻为隙磁阻为RQ，铁，铁心磁阻为心磁阻为RT，则，则：)20. 5(TQQ02RRRe0u0SPNSN SNNSN SN5. .2. .1 类型和原理类型和原理 一般可认为一般可认为RQ不变，不变，RT则与励磁则与励磁线圈所产生的励磁线圈所产生的励磁磁通磁通 1有关。有关。P、S两段铁心的横截面两段铁心的横截面积很小，很容易被积很小，很容易被 1饱和。饱和。在励磁电在励磁电压的一个周期内，压的一个周期内，铁心饱和两次。铁心饱和两次。e0u0SPNSN SNNSN SN5. .2. .1 类型和原理类型和原理 铁心饱和时，铁心饱和时，RT很大，很大， 2不能通过。设励磁不能通过。设励磁电源角

44、频率为电源角频率为w w，可近似认为：，可近似认为：).()(2152sin2002taaw式中，式中，a0、a2为与磁头结构参数有关的常数。为与磁头结构参数有关的常数。5. .2. .1 类型和原理类型和原理 在磁栅和磁头之间不发生相对运动的情况下，在磁栅和磁头之间不发生相对运动的情况下， 0为一常量。设输出绕组匝数为为一常量。设输出绕组匝数为N2，则输出绕组，则输出绕组中产生的感应电势中产生的感应电势e0为：为：).(2252cosdd0220tktNew漏磁通漏磁通 0的表达式类似于式的表达式类似于式( (5. .18) )，则：，则：).(2352cos2sinm0tWxkew 可见，

45、静态磁头是利用其磁阻的变化来产生可见，静态磁头是利用其磁阻的变化来产生感应电势的。感应电势的。5. .2. .1 类型和原理类型和原理 磁头铁心由四种不同形状的铁镍合金片磁头铁心由四种不同形状的铁镍合金片( (铜铜片片) )叠合，每片厚度为叠合，每片厚度为W/ /4，形成了很多分磁头。，形成了很多分磁头。铜片ABCBDBCBAN2N1放大ABCD5. .2. .1 类型和原理类型和原理 由于由于A与与C、C与与D各各相距相距W/ /2，对磁栅磁场的，对磁栅磁场的基波成分，若基波成分，若A片对准片对准N极，极，则则C片对准片对准S极，极，D片对准片对准下一个下一个N极，进入铁心的极，进入铁心的漏

46、磁通在漏磁通在C片的中部是相片的中部是相互加强的。输出线圈套在互加强的。输出线圈套在C片中部，输出电势得到片中部，输出电势得到加强。加强。02002222335. .2. .1 类型和原理类型和原理 对磁场的偶次谐波成分，对磁场的偶次谐波成分，A、C、D等都对等都对准同名极，铁心中无磁通通过，这样就消除了准同名极，铁心中无磁通通过，这样就消除了偶次谐波的影响。偶次谐波的影响。SNSNSNSNNABCBDN5. .2. .1 类型和原理类型和原理 上述磁头结构能把基波成分叠加起来，气上述磁头结构能把基波成分叠加起来，气隙数隙数n越大，输出信号也越大。但越大，输出信号也越大。但n也不能太大，也不能

47、太大，否则不仅会使体积加大，还会使叠片厚度加工否则不仅会使体积加大，还会使叠片厚度加工误差的影响加大。因此常取误差的影响加大。因此常取n3050，同时还，同时还应限制叠片厚度的总误差不超过应限制叠片厚度的总误差不超过W/ /10。5. .2. .1 类型和原理类型和原理 励磁绕组的安匝励磁绕组的安匝数数I1N1应足以使应足以使P、S段段的磁通饱和。但的磁通饱和。但I1N1太太大时，磁路饱和时间大时，磁路饱和时间过长，使过长，使 2大部分时间大部分时间处于被切断状态，也处于被切断状态，也会使输出变小。会使输出变小。 e0u0SPNSN SNNSN SN5. .2. .1 类型和原理类型和原理 在

48、绕制励磁线圈时还要注意励磁桥路的平在绕制励磁线圈时还要注意励磁桥路的平衡。若不平衡，即使没有磁栅，输出绕组也会衡。若不平衡，即使没有磁栅，输出绕组也会有信号输出。有信号输出。 N2N15. .2. .1 类型和原理类型和原理 3. .误差分析误差分析 磁栅传感器的误差包括磁栅传感器的误差包括零位误差零位误差与与细分细分误差误差。 影响零位误差的因素有：影响零位误差的因素有：磁栅节距误磁栅节距误差；差；磁栅安装与变形误差；磁栅安装与变形误差；磁栅剩磁变磁栅剩磁变化引起的零位漂移；化引起的零位漂移；外界电磁场干扰等。外界电磁场干扰等。5. .2. .1 类型和原理类型和原理 影响细分误差的因素有：

49、影响细分误差的因素有：由于磁膜不均匀由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；两个磁头间距偏离两个磁头间距偏离( (n1/ /4) )W较远；较远；两个磁两个磁头参数不对称；头参数不对称；磁场与感应电势高次谐波分量磁场与感应电势高次谐波分量的影响等。的影响等。5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .2. .1 类型和原理类型和原理5. .2. .2 测量系统测量系统5. .2. .2 测量系统测量系统 1. .动态磁头测量系统动态磁头测量系统 磁栅相对于磁头运动时，动态磁头输出信号磁栅相对于磁头运动时，动态磁头输出信号正比于相对运动速

50、度或角速度，整流滤波后可得正比于相对运动速度或角速度，整流滤波后可得相对运动速度或角速度的大小。若要检测相对运相对运动速度或角速度的大小。若要检测相对运动的方向，需用两个磁头，并相距动的方向，需用两个磁头，并相距( (n1/ /4) )W安安装。两个磁头输出信号存在装。两个磁头输出信号存在90 的相位差，超前的相位差，超前还是滞后取决于移动方向，处理后可实现辨向。还是滞后取决于移动方向，处理后可实现辨向。5. .2. .2 测量系统测量系统 如图所示，是由两个动态磁头构成的测速如图所示，是由两个动态磁头构成的测速系统。系统。 磁头1整形整形磁头2乘法器乘法器C1C2e1e2e3e6e7e8e9

51、低通滤波e5e4放大放大差动放大5. .2. .2 测量系统测量系统 设磁头固定，磁栅向左运设磁头固定，磁栅向左运动时，磁头动时，磁头1的输出超前于磁的输出超前于磁头头2的的90 ，则各信号的波形，则各信号的波形如图所示。如图所示。e1整形得整形得e3，移相，移相90 得得e5。e2整形得整形得e4，移相，移相90 得得e6。e3与与e6相乘得相乘得e7，e5与与e4相乘得相乘得e8。e7与与e8差放得差放得e9，e9低通滤波得低通滤波得U。te1te2te3te4e5te6te7te8Ute9tt5. .2. .2 测量系统测量系统 当磁栅向右运动时，磁头当磁栅向右运动时，磁头1的输出滞后于

52、磁头的输出滞后于磁头2的的90 ，各信号波形如图所示。由图可各信号波形如图所示。由图可知，测量系统输出电压的符号知，测量系统输出电压的符号反映了相对运动的方向，即实反映了相对运动的方向，即实现了辨向。现了辨向。 te1te2te3te4e5te6te7te8te9tUt5. .2. .2 测量系统测量系统 2. .静态磁头测量系统静态磁头测量系统 静态磁头可用来测位移。为了辨向，也需静态磁头可用来测位移。为了辨向，也需要用两个相距要用两个相距( (n1/ /4) )W安装的磁头。安装的磁头。 由于静态磁头是调制式磁头，对两个磁头由于静态磁头是调制式磁头，对两个磁头输出信号的处理方式与动态磁头有

53、区别，分为输出信号的处理方式与动态磁头有区别，分为鉴鉴幅方式幅方式和和鉴相方式鉴相方式。5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .2. .1 类型和原理类型和原理5. .2. .2 测量系统测量系统第第5章章 磁电式传感器磁电式传感器5. .1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5. .2 磁栅式传感器磁栅式传感器5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .4 磁敏元件磁敏元件 5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔式传感器是基于霍尔式传感器是基于霍尔效应霍尔效应的传感器。的传感器。在在1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材

54、料的霍尔效应发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始得到应用和发展。开始得到应用和发展。 5. .3 霍尔式传感器霍尔式传感器5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件5. .3. .2 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路5. .3. .3 霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数5. .3. .4 霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿霍尔元件的温度补偿与不等位电势补偿5. .3. .5 霍尔元件应用举例霍尔元件应用举例5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 1.

55、 .霍尔效应霍尔效应 金属或半导体薄片垂直置于磁场中。若通以金属或半导体薄片垂直置于磁场中。若通以激励电流激励电流I，则产生电势，则产生电势UH，称为，称为霍尔电势霍尔电势或或霍霍尔电压尔电压，这种现象称，这种现象称霍尔效应霍尔效应。IWLUHBvFEFLd 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 设薄片为设薄片为N型半导体，其多数载流子电子的型半导体，其多数载流子电子的运动方向与电流相反，它受到垂直于运动方向与电流相反，它受到垂直于 与与B的洛的洛仑兹力仑兹力FL的作用，用的作用，用e表示电子的电荷量表示电子的电荷量( (不含符不含符号号) )，则，则FL的大小为：的大小为

56、：)28. 5( LeBF IWLUHBvFEFLd 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 电子受到力的作用，将向一侧发生偏转，在电子受到力的作用，将向一侧发生偏转，在该侧积累电子，在另一侧积累正电荷，于是产生该侧积累电子，在另一侧积累正电荷，于是产生霍尔电场霍尔电场。电子在该电场中又会受到电场力。电子在该电场中又会受到电场力FE的的作用，作用，FE阻止电子偏转，大小为：阻止电子偏转，大小为：)29. 5( HHEWeUeEFIWLUHBvFEFLd 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 FL与与FE大小相等时，电子的积累过程达到动大小相等时，电子的积累

57、过程达到动态平衡。由上面两式得：态平衡。由上面两式得：)30. 5(HWBU设半导体中电子浓度为设半导体中电子浓度为n，由，由Ien Wd得得：)31. 5()/(neWdI代入式代入式( (5. .30) )，得，得：)28. 5(LeBF )29. 5(HEWeUF/)32. 5(HnedIBU5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 式中，式中，RH1/(/(ne) )称称为为N型半导体的型半导体的霍尔常数霍尔常数，KHRH/ /d称称为为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度。KH1/ /d，所，所以霍尔元件常制成薄片形状。以霍尔元件常制成薄片形状。 对金属来说，认为对金属来

58、说，认为n代表金属中的电子浓度代表金属中的电子浓度即可。对即可。对P型半导体，若设其空穴浓度为型半导体，若设其空穴浓度为p，则，则RH1/(/(pe) )。因此，。因此，RH是由霍尔元件材料性质是由霍尔元件材料性质决定的一个常数。决定的一个常数。 )32. 5(HHHIBKdIBRnedIBU5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 从另一角度，设从另一角度，设N型半导体电阻率为型半导体电阻率为 ，电电子迁移率子迁移率为为m m( (m m / /E) )，则霍尔元件激励极之间，则霍尔元件激励极之间的电阻为：的电阻为：WdenLEWdenELWdenELIELIUWdLRmm于

59、是有于是有 1/(/(enm m) )。5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件一般金属材料，一般金属材料，m m很高，但很高，但 也很小。绝缘也很小。绝缘材料材料 极高，极高，m m却极低。故只有半导体材料适于却极低。故只有半导体材料适于制造霍尔元件。又因制造霍尔元件。又因电子迁移率一般大于空穴电子迁移率一般大于空穴迁移率迁移率，所以霍尔元件常用，所以霍尔元件常用N型半导体制造。型半导体制造。)33. 5()/(1HmneR由由 1/(/(enm m) )得：得：5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 2. .霍尔元件霍尔元件 霍尔元件采用的材料有霍尔元件采

60、用的材料有N型锗、锑化铟、砷型锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓及磷砷化铟等。它们各有优缺点。化铟、砷化镓及磷砷化铟等。它们各有优缺点。5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件 霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片。在其中两个片是一块矩形半导体单晶薄片。在其中两个端面端面上上焊上焊上激励电极激励电极，在另两边，在另两边正中正中焊上焊上霍尔电极霍尔电极。霍尔元件壳体为陶瓷或环氧树脂等材料。霍尔元件壳体为陶瓷或环氧树脂等材料。 211霍尔电极；霍尔电极；2激励电极激励电极 5. .3. .1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔