第5章电动势传感器

第5章 电动势传感器
5.1.4 磁电感应式传感器的应用 1. 图 5.8 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构主
要由钢制圆形外壳制成, 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外 壳固定成一体, 永久磁铁中间有一小孔, 穿过小孔的芯轴两端 架起线圈和阻尼环, 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳 相连。
43
2
1
NS
第5章 电动势传感器
2 恒定磁通式
恒定磁通式磁电传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、金属
骨架和壳体等组成。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
部件可以是线圈或者磁铁，因此又分为动圈式（a）和动铁式
(b)两种结构类型。
v
弹簧 v 极掌 线圈
δx≈(-4.5%)/10 ℃
这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿，补偿通常 采用热磁分流器，热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊 磁性材料做成。它在正常工作温度下已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 它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低, 从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化, 维持传感器灵敏度 为常数。
为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 如图5.3所示。 补偿线圈通以经放大K倍的电流, 适当选择 补偿线圈参数, 可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产 生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。
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（2）
当温度变化时, 式（5.9）中右边三项都不为零, 对铜线而 言每摄氏度变化量为dL/L≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2 , dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。对铝镍 钴永久磁合金, dB/B≈-0.02×10-2, 这样由式(5.9)可得近似值:
闭合线圈磁通量Ф变化的实现办法： 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中磁铁与线圈之间做相对运动； 恒定磁场中线圈等效面积的变化。
直接应用：测定速度 在信号调节电路中接积分电路，或微分电路， 磁电式传感器就可以用来测量位移或加速度。
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5.1.2 磁电感应式传感器类型 根据磁场方式, 可以设计成两种磁电传感器结构: 变磁通 式和恒磁通式。
EH= U H b
式中UH为霍尔电势。霍尔电场的出现, 使定向运动的电 子除了受洛仑磁力作用外, 还受到霍尔电场的作用力, 其大小 为eEH，此力阻止电荷继续积累。 随着上、下底面积累电荷 的增加, 霍尔电场增加, 电子受到的电场力也增加, 当电子所 受霍尔电场力与洛仑磁力大小相等、方向相反时, 即eEH=evB， 电子积累达到动态平衡。
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5.1.1 磁电感应式传感器工作原理
根据法拉第电磁感应定律,当运动导体在磁场中切割磁 力线时，闭合导体回路中的磁通量φ发生变化，在导体中产
生感应电动势ｅ，当导体形成闭合回路就会出现感应电流。 导体中感应电动势ｅ的大小与回路所包围的磁通量的变化
率成正比，那么N匝线圈在变化磁场中感应电动势为：
该传感器测量的是振动速度参数, 若在测量电路中接入积 分电路, 则输出电势与位移成正比; 若在测量电路中接入微分 电路, 则其输出与加速度成正比。
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2. 图5.9是磁电式转速传感器工作原理图。
测速发电机
磁电式车速传感器
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3.
图5.10是磁电式扭矩仪的工作原理图。 在驱动源和负载之 间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应的两个 磁电传感器。磁电传感器的结构见下图所示。
相位差→扭转角→ 扭矩
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4.磁流量传感器
当导电流体沿测量 管在磁场中垂直流 动时，将切割磁力 线产生感应电动势。 其大小
e BVD
交流磁场
电磁流量传感器的结构
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5.2 霍尔式传感器
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 著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压 力、加速度、振动等方面的测量。
1 变磁通式（也称变磁阻式） 线圈和磁铁部分都是固定的；与被测物体连接并运动的 部分由导磁材料制成，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因 而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。
用来测量角速度，线圈中产生感应电动势的频率作为输 出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。
结构：闭磁路、开磁路。
第5章 电动势传感器
第5章 电动势传感器
（2）开磁路变磁通式传感器
同样，线圈磁铁固定不动, 测量齿轮（导磁材料）安装 在被测旋转体上, 随之一起转动。每转动一个齿, 它与软铁之 间构成的磁路磁阻变化一次, 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齿数的乘积。 这种传感器结构简单, 但输出信号较小, 且因高速轴上加装齿 轮较危险而不宜测量高转速。
fL =eBv 式中: e——电子电荷;
v——电子运动平均速度; B——
图5.12 霍尔效应原理图
第5章 电动势传感器
fL的方向在图 中是向上的, 此时电子除了沿电流反方向 作定向运动外, 还在fL的作用下向上漂移, 结果使金属导电板 上底面积累电子, 而下底面积累正电荷, 从而形成了附加内电 场EH, 称霍尔电场, 该电场强度为
动铁式
动圈式
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e=-NBlv 式中: B ——工作气隙磁感应强度;
l——每匝线圈平均长度; N——线圈在工作气隙磁场中的匝数; v——相对运动速度。
原理：壳体随被测物体振动；
软弹簧吸收能量； 动圈或动铁对地保持静止,与壳体 的相对速度近于振动速度； 线圈切割磁力线。
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ｅ=－Ndφ/dt
第5章 电动势传感器
当线圈垂直于磁场方向运动以速度 v切割磁力线时，感 应电动势为：
ｅ=－NBlv
式中l代表每匝线圈的平均长度； B为线圈所在磁场的 磁感应强度。
若线圈以角速度ω转动， S为每匝线圈的平均截面积， 则上式可写成：
ｅ=－NBSω
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不同类型的磁电感应式传感器
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电子积累达到动态平衡时的霍尔电势：
UH
RH IB d
K
H
IB
式中RH 称之为霍尔系数, 其大小取决于导体的电阻率和
载流子的迁移率。
式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式可见, 霍尔电势 正比于控制电流I及磁感应强度B，其灵敏度与霍尔系数RH成 正比而与霍尔片厚度d成反比。
利用霍尔效应制成的传感器称霍尔传感器，由于霍尔电 势仅与控制电流及磁感应强度，常用来探测电流和磁场。为 了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。
第5章 电动势传感器
第5章 电动势传感器
电动势传感器是通过磁电效应或压电效应将被测量（振 动、位移、转速等）转换成电信号（感应电动势）的一类传 感器。
5.1 5.2霍尔式传感器 5.3 压电式传感器
第5章 电动势传感器
5.1
磁电感应式传感器又称感应式传感器或电动式传感器。它利 用电磁感应原理将被测量转换成感应电动势，是一种机－电 能量变换型传感器。
优点：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, 是有源传感器；由于它输出功率大且性能 稳定, ，输出阻抗小，灵敏度较高，一般不需要高增益放大 器，而且具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以得到普 遍应用。 缺点：传感器的尺寸和重量都较大。 应用：适用于振动、转速、位移、扭矩等测量。
5.2.1
1. 霍尔效应
置于磁场中的金属或半导体薄片, 当有电流流过时，在 垂直于电流和磁场方向上将产生电动势, 这种现象称霍尔效 应。该电势称霍尔电势。该薄片称为霍尔元件。
第5章 电动势传感器
第5章 电动势传感器
图 5.12 所示, 在垂直于外磁场B的方向上放置一导电薄 片, 薄片通以电流I, 方向如图所示。导电薄片中的电流是金 属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时, 每个电子受 洛仑磁力fL的作用， fL大小为
第5章 电动势传感器
第5章 电动势传感器
当线圈的运动速度与附图所示方向相反时, 感生电势E、 线圈感应电流反向, 所产生的附加磁场方向与工作磁场同向, 从而增大了传感器的灵敏度。其结果是线圈运动速度方向 不同时, 传感器的灵敏度具有不同的数值, 使传感器输出基 波能量降低, 谐波能量增加。即这种非线性特性同时伴随着 传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高, 线圈中 电流越大, 这种非线性越严重。
壳体
磁轭 补 偿线 圈 N
S
N
线圈
永 久磁 铁
S
弹簧
(a)
(b)
第5章 电动势传感器 动圈式和动铁式的工作原理完全相同。 当壳体随被测振动体一起振动时, 由于弹簧较软, 运动部件（线圈或者磁 铁）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, 几乎静止不动, 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e=-NBlv
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5.2.2 霍尔元件的结构及特性分析
1 材料与结构
由于霍尔元件的灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔 片厚度d成反比，而霍尔系数大小取决于导体的电阻率和载 流子的迁移率。
U0
I0Rf
B0lNvR f R Rf
SU
U0 B0lNRf v R Rf
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2. 静态误差 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, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 根 据误差产生的原因，又分为非线性误差和温度误差。
（1）
磁电感应式传感器产生非线性误差的主要原因: 由于传感 器线圈内有电流I0流过时, 将产生一定的交变磁通ΦI, 此交变磁 通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上, 使恒定的气隙磁通变 化如附图所示。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速 度增大时, 将产生较大的感生电势e和较大的电流I0, 由此产生 的附加磁场方向与原工作磁场方向相反, 减弱了工作磁场的作 用, 从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。
（1）闭磁路磁通式传感器
内齿轮装在转轴上，外齿轮、永久磁铁和感应线圈固定, 内外齿轮齿数相同。
当转轴连接到被测转轴上时，内齿轮随被测轴转动，外 齿轮不动, 内外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期变化, 引 起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期变化的感应电动势。 显然，感应电势的频率与被测转速成正比。
当测量电路接入磁电传感器电路中, 磁电传感器的输出电
流Io为
I0
e R Rf
B0lNv R Rf
式中: Rf——测量电路输入电阻; R—— 线圈等效电阻。
Io
传 E
感
Rf
器R
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（2）传感器的电流灵敏度为
Si
I0 v
B0lN R Rf
（3）传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
传感器的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化, 磁通量也发生变化, 在线圈中 感应出交流电压, 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。
第5章 电动势传感器
当扭矩作用在扭转轴上时, 两个磁电传感器输出的感应电压u1和 u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。 这样传 感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。
1-芯轴 2-外壳 3-圆形膜片 4-铝架 5-永久磁铁 6-线圈 7-阻尼环 8-引线
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基本工作原理
工作时, 传感器与被测物体刚性连接。当物体振动时, 传 感器外壳和永久磁铁随之振动, 而架空的芯轴、线圈和阻尼环 因惯性而不随之振动，它们与磁铁产生相对运动。 因而, 线圈 切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势, 线圈的输出 通过引线输出到测量电路。
相对测量原理：当被测体的振动频度ω比传感器 固有频率ω0大很多时（ω≥ω0），磁铁与线圈之 间的相对运动速度接近于振动体的振动速度， 可以用相对运动代替绝对运动。其中：
0 k1 / m
k1为弹簧弹性系数;m为质量块的质量
第5章 电动势传感器
5.1.3 磁电感应式传感器特性分析
1. 主要技术指标
（1）输出电流