传感器原理及应用 教学课件 作者 程德福 第四章 磁传感器4-8.ppt

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1、感应式磁敏传感器是以天然场或人工场为场源，根据法拉第电磁感应原理，采用某些特殊技术研制成的测磁装置，可用于测量交变场中磁场变化率。感应式磁传感器一般有空气芯和铁芯两种，早期使用的磁传感器都是空气芯的。目前使用传感器的铁芯有铁氧体铁芯、坡莫合金铁芯和非晶态铁芯。第四节感应式磁敏传感器1一、感应式磁敏传感器的物理基础法拉第电磁感应定律对于带有磁芯导磁率为μ的螺线管线圈，其感应电动势e(t)为：被测磁场的变化率可由线圈的感应电动势所反映。2××××××××××××××××屏蔽铜箔铝管铝盖输出线圈长螺旋管式传

2、感器构成示意图磁芯感应式磁传感器通常由线圈和放大器两部分组成。线圈中包括绕组和磁芯两部分。磁芯通常采用高导磁率的磁性材料做成。3二、感应式磁敏传感器的设计考虑因素：★要有一定的灵敏度，体积不宜过大。★噪音要尽量低，这里包括热噪音、温差电势、潮湿和接触污染等引起的噪音；线圈内阻要小；线圈避免用普通焊锡接头；信号线要双层屏蔽，且不能镀锡；要求严格密封。★要有完善的电屏蔽。★要尽量降低磁芯的损耗，尤其是要降低涡流损耗。因此各片磁芯间要求严格绝缘。★磁芯的抗震性和温度稳定性要好。41、灵敏度为了获得最大灵敏度

3、，就必须使乘积NSμ为最大。初始灵敏度为了获得最大信号，必须使接入放大器输入电路之前的线圈本身具有较高的灵敏度，即能感应出较高的电动势。这种灵敏度也称为初始灵敏度σ。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势52、信噪比主要考虑线圈电阻和匝数等参数的选择。假设磁场的频谱密度为δH、频带宽度为△F，则线圈的感应信号，而根据热力学定律，噪声为式中，K—为波兹曼常数；T—为绝对温度则信噪比63、磁芯材料7三、测试与标定8感应式磁敏传感器的应用9磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。利用某些高导磁率的软磁性材料

4、（如坡莫合金）作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。第五节磁通门式磁敏传感器最大特点：适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量。传感器可作成体积小，重量轻、功耗低，既可测纵向向量T、垂直向量Z，也可测ΔT、ΔZ，不受磁场梯度影响，测量的灵敏度可达0.01nT，且可和磁秤混合使用组成磁测仪器。应用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。10一、磁通门式磁敏传感器的物理基础磁饱和现象饱和

5、磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs（一）磁滞回线和磁饱和现象BAHsHcFBr-HcE-BrDC静态磁滞回线示意图BsHOB磁滞现象：磁感应强度的变化滞后于磁场H的变化最大剩磁BrBr,Bs，Hs及矫顽力Hc是磁性材料的四个重要参数。磁通门传感器使用软磁性材料。动态导磁率11定义：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向上会产生伸长或缩短现象。几种磁性材料的伸缩系数3020100-10-20-30Δl/lFeCoNi010203040H/10-4T45坡莫合金（二）磁致伸缩现象饱和磁致伸缩系数12内容：不论何种原

6、因使通过一回路所包围面积内的磁通量φ发生变化时，回路上产生的感应电动势E与磁通随时间t的变化率的负值成正比。（三）法拉第电磁感应定律式中k——比例系数。13从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯较多。磁通门传感器的磁芯几何形状二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理141.长轴状跑道形磁芯跑道型磁芯机构示意图1—灵敏元件架；2—初级线圈3—输出线圈；4—坡莫合金环如图所示，一般沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺寸，故当沿长轴方向磁化时，要比沿短轴方向磁化时的

7、退磁作用及退磁系数小得多。这样，就可以认为跑道形磁芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化。在实践中，也仅测量沿长轴方向的磁场分量。H1=2HmsinωtH2=-2Hmsinωt41LS2ff2L1L2315由分段函数组式可知，Es是一奇函数。富氏分解中的余弦项的系数an=0，a2=0。可计算出富氏分解中正弦项的系数b2，进而得出总感应电压表达式：2.富氏分解法这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的完整表达式。由此可得出如下结论：16质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。物

8、理学已证明物质是具有磁性的。对水分子（H2O）而言，从其分子结构、原子排列和化学价的性质分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进。一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理质子磁矩旋进TαM质子的旋进频率γp为质子旋磁比；T为外磁场强度f=γpT/2π第六节  质子旋进式磁敏传感器17当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率f信号，必须采取特殊方