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1、第5章电动势式传感器1磁电式传感器2压电晶体传感器3霍尔传感器介绍三种传感器,即磁电式传感器、压电晶体传感器和霍尔传感器。虽然它们的工作原理截然不同,但它们的输出量都是电势,所以归类为电动势式传感器。一、磁电式传感器磁电式传感器是一种利用电磁感应原理,将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出的传感器,它也被称为感应式传感器。这种传感器工作时不需要电源,直接从被测物体吸取机械能,转换为电信号输出。由于它的输出功率较大,所以大大简化了测量电路,且性能稳定,具有一定的工作带宽(一般为10~1000Hz),所以获得较普遍的应用。1．工作原理及结构根据电
2、磁感应定律,具有N匝的线圈在磁场中运动时,所产生的感应电动势e的大小取决于穿过这线圈的磁通φ的变化率,即(1)图1是磁电式传感器的原理图,其中(a)是当线圈在磁场中作直线运动时产生感应电动势的传感器;(b)是线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的传感器。图1磁电式传感器原理图(a)线圈直线运动;(b)线圈旋转运动1—线圈;2—运动体;3—磁钢如果式(1)不以磁通变化,而用线圈运动速度形式来表示,则对应于图1(a)和(b)可分别写成(2)e=NBAω(V)(3)式中B——磁感应强度(T,1T=1Wb/m2);l——线圈导线的总长度(m);——
3、线圈与磁铁相对直线运动的线速度（m/s）;N——线圈匝数;A——线圈截面积(m2);ω——线圈的角速度(rad/s)。在传感器中,当结构已定时，B，A，N，l都是常数,感应电动势就与线圈对磁场的相对运动速度或成正比,因此磁电式传感器可直接用于测量线速度与角速度。由于速度与位移、加速度之间存在一定的积分或微分关系。因此,如果在感应电动势的测量电路中接入一微分电路,其输出就与运动的加速度成正比;如果在测量电路中加接一积分电路,则其输出就与位移成正比。由此可见,磁电式传感器除测量速度外,还可用来测量运动的位移和加速度。此外,在磁电式传感器中,其输出
4、除电动势幅值外,还可以是电动势的频率值,例如磁电式转速传感器,将在应用举例中介绍。以上分析可知,磁电式传感器有两个基本组成部分:一个是磁路系统,由它产生磁场,为了减小传感器的体积,一般都采用永久磁铁;另一个是线圈,由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。由式(2)和(3)可知,感应电动势e是线圈与磁场相对运动而产生的。作为相对运动,运动部分可以是线圈,也可以是永久磁铁,前者称为动圈式,后者称为动铁式。作为一个完整的传感器,除磁路系统和线圈外,还有一些其它部件,如壳体、支承、阻尼器、接线装置等等。2．传感器的灵敏度和温度补偿由基本公式(2)可以导
5、出磁电式传感器的灵敏度(4)从提高灵敏度的观点来看,B值大,灵敏度S也大,所以要选择B值大的永磁材料;另外导线长度l也可取得大一些,但这是有条件的,必须考虑下列两种情况:(1)线圈电阻与指示器电阻匹配问题。因传感器相当于一个电压源,为使指示器从传感器获得最大功率,必须使线圈的电阻R等于指示器的电阻Rd,即R=Rd。(2)线圈的发热。因为传感器线圈产生感应电动势,接上负载后,线圈中有电流流过,因而线圈会发热。为此,根据传感器灵敏度,R与Rd匹配求得线圈所需尺寸后,还必须发热方面对线圈加以核算,使线圈的温升在允许的温升范围以内。图2磁电式传感器与
6、指示仪表 相连的等效电路图(2)是磁电式传感器与指示仪表相连的等效电路。整个回路电流为(5)当温度变化时,上式的分子分母都会随温度而变,而且它们的变化方向是相反的。因为永久磁铁的磁感应强度随温度增加而减小,即感应电动势随温度增加而减小。例如钨钢和铬钢做的磁铁,当温度在50℃~60℃以下时,其磁感应强度变化大约为每10℃变化0.3%。而传感器线圈与指示器的电阻都是铜电阻,所以它们的电阻温度系数都是正的。当温度增加t℃时,回路电流将从i变化到i'。(6)式中——磁铁磁通密度的负温度系数;——传感器线圈电阻正温度系数;1——指示器电阻正温度系
7、数。温度误差(7)可见温度误差是负值,即随着温度的增加,传感器的输出将变小。补偿温度误差的办法是在结构许可的情况下,在传感器的磁铁下装置热磁分路。热磁分路是用磁分路片搭装在磁系统的极靴上,把气隙中的磁通分出一部分,亦即把总磁通分出一部分。磁分路片用特种的镍铁合金制成,当温度在-80℃~+80℃之间,这类合金片的磁感应强度随温度增加而明显地下降。所以,随着温度增加,分到热磁分路的磁通减少,而分到气隙的那部分磁通增加,这使e的数值增加,从而使电流增大,起到了温度补偿作用。3．测量电路根据磁电式传感器的工作原理,可知它输出电动势大小与运动速度成正
8、比,所以是一个测速的传感器。但是在实际测量中,它常常还被用来测量运动的位移(或振幅)和加速度,为此必须将信号加以变换。一般是在测量电路中配以积分电路和微分电路,通过
