磁电式传感器3.ppt

磁电式传感器 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。有时也称作电动式传感器。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位和性能稳定；工作频带一般为10~1000HZ。电磁式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电刺激振器等。因此磁电式传感器获得较普遍的应用。 5.1基本原理与结构型式 根据电磁感应定律,当w匝线圈在均恒磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为,则线圈内的感应电势e与磁通变化率有如下关系: (5-1) 根据这一原理,可以设计成变磁通式两种结构型式,构成测量线速度或角速度的磁电式传感器.图5-1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构.其中永久磁铁1(“熟称”)与线圈4均固定,动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化,引起磁通变化而在线圈中产生感应电势,因此又称变磁阻式结构. 对图5-1(a)结构,设动铁心的恒定角速度为 ,线圈截面积为A,磁路中最大与最小磁通密度之差为B=B max-B min,则由式(5-1)可得两磁轭2上互相串联的两个线圈中的感应电势 e为 e=-w AWBcos2 wt (V) (5-2) 由此可见,采用测频或测幅的方法都可以测得铁心的平均转速. 图(b)的结构及工作原理与变气隙式电感传感器相似.通过适当的设计可使感应电势e与振动速度成线性关系,从而成为振动速度的度量. 在恒磁通式结构中,工作气隙中的磁通恒定,感应电势是由永久磁铁与线圈之间有相对运动—线圈切割磁力线而产生.这类结构有两种,如图5-2所示.图(a)为动圈式,图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成.气隙中的磁场均匀分布,测量线圈绕在筒形骨架上,经膜片弹簧悬挂在空气隙磁场中.当线圈与磁铁间有相对运动时,线圈中产生的感应电势e为 e=B l v (V) (5-3)式中B ----------气隙磁通密度(T); l ---------- 气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)为l=la W (la为每匝线圈的平均长度); v-----------线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1). 当传感器的结构确定后,式(5-3)中B、la、W都为常数,感应电势e仅与相对速度v有关.传感器的灵敏度为 S=e /v=B l (5-4) 为提高灵敏度,应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度,以提高气隙磁通密度B,增加la和W也提高灵敏度,但他们受到体积和质量、内电阻及工作频率等因数的限制.为了保证传感器输出的线性度,要保证线圈始终在均匀磁场内运动.设计者的任务是选择合理的结构型式、材料和结构尺寸,以满足传感器基本性能要求. 磁敏传感器是指对磁信号及其变化比较敏感、并能按照一定的规律将其转换成为可用输出信号（主要是电信号）的器件或装置。它可以用来检测磁场的变化，也可以通过检测磁场来间接地测量诸如力、运动等其它物理量。 按照工作机理的不同，可以把磁敏传感器分为结构型、物性型和复合型三大类。 其中结构型磁敏传感器在被测磁学量的作用下，其几何结构会发生变化，并能输出正比于被测磁学量的电信号，如悬丝式磁敏传感器和各种磁电感应式磁敏传感器. 物性型磁敏传感器在被测磁学量的作用下，其构成材料自身的特性会发生变化，从而输出相应的电信号，如各种半导体磁敏传感器（霍尔器件、结型磁敏器件、半导体磁敏器件等）、SQUID磁敏传感器、质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、强磁性金属磁敏器件等. 复合型磁敏传感器则是将物性型磁敏感元件与中间转换环节相结合，以增加所测非电量的种类。 上述传感器中，霍尔器件等容易与半导体电路集成，构成使用简单、结构小巧的传感器系统，在工业上得到了广泛的应用。但灵敏度相对较低。利用原子体系作为工作介质的磁强计如光泵式磁强计、质子旋进式磁强计有极高的精度，利用约瑟夫结的超导量子干涉装置(SQUID)是现在国际上灵敏度最高的磁强计，被