第07章+磁电式传感器ppt课件.ppt

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1、第7章磁电式传感器7.1磁电感应式传感器7.2霍尔式传感器17.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器,是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源,就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是一种有源传感器。由于它输出功率大,且性能稳定,具有一定的工作带宽(10~1000Hz),所以得到普遍应用。27.1.1磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律,当导体在稳恒均匀磁场中,沿垂直磁场方向运动时,导体内产生的感应电势为(7-1)式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度;l——导体有

2、效长度;v——导体相对磁场的运动速度。3如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的,则当线圈与磁场的相对速度为υ时,线圈的感应电动势:α为运动方向与磁场方向间夹角,当α=90°,线圈的感应电动势为:当N、B和la恒定不变时,E与υ=dx/dt成正比,根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。上一页下一页返回4若线圈作旋转运动,它的工作方式类似于一只发电机,线圈在磁场中转动的感应电势为:其中B为磁感应强度,A为每匝线圈的平均截面积。5当结构参数B、l、A、W确定后,那么感应电动势就只是的函数,且成正比,故可用来测振动和转速。6当一个W匝线圈相

3、对静止地处于随时间变化的磁场中时,设穿过线圈的磁通为φ,则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系:根据以上原理,人们设计出两种磁电式传感器结构:变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式,图7-1是变磁通式磁电传感器,用来测量旋转物体的角速度。(7-2)二、磁电式传感器的结构和分类7图7-1(a)为开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随被测体一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次,线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单,但输出信号

4、较小,且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。f=Z·n/60变磁通式8图7-1变磁通式磁电传感器结构图(a)开磁路;(b)闭磁路9图7-1(b)为闭磁路变磁通式传感器,它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成,内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时,外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动,内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化,从而引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然,感应电势的频率与被测转速成正比。10被测转轴1带动椭圆形铁芯2在磁场气隙中作周期性转动,使气隙平均长度发生周期性变化,磁

5、路的磁阻也发生周期性变化,磁通发生变化,故线圈3中感应电动势的频率正比于2的转速。11特点:传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度,因而它是与被测速度成一定比例关系的。当转速太低时,输出电势很小,以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率,一般为50Hz左右,闭磁路转速传感器的下限频率可降低到30Hz左右。其上限工作频率可达100Hz。12磁路系统产生恒定的直流磁场,磁路中的工作气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈(动圈式),也可以是磁铁(动铁式),动圈式(图7-2(a))和动铁式(图7-2(b))的工作原理是

6、完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件质量相对较大,当振动频率足够高(远大于传感器固有频率)时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动,振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势为恒定磁通式13图7-2恒定磁通式磁电传感器结构原理图(a)动圈式;(b)动铁式14(7-3)式中:B0——工作气隙磁感应强度;l——每匝线圈平均长度;W——线圈在工作气隙磁场中的匝数;v——相对运动速度。157.1.2磁电感应式传感器

7、基本特性当测量电路接入磁电传感器电路时,如图7-3所示,磁电传感器的输出电流Io为(7-4)式中:Rf——测量电路输入电阻;R——线圈等效电阻。传感器的电流灵敏度为(7-5)16而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为(7-6)(7-7)当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化,从而产生测量误差,其相对误差为(7-8)17电磁流量计工作原理18此式表明:感应电势与流速分布的形态无关,对一定的导管直径和感应强度,感应电势取决于瞬时流量。19霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍

8、尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,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,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著

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