传感器与测试技术作业题第六章

第六章磁电式传感器

思考题：

1、磁电式传感器可分为几类？各有什么性能特点？

答：

a)变磁通式磁电传感器

这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。

b)恒定磁通式磁电传感器

在图6-4中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势。

2、简述磁电感应式传感器的工作原理，磁电感应式传感器最基本的构成元件有哪些？

答：磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。

3、利用磁电感应式传感器的工作原理，设计一个测量主轴转速的传感器，并说明如何将其作为数字传感器使用。

答：测量转速时，转轴与被测转轴链接，从而带动转子转动，当转子的齿与定子的齿相对时气隙最小，磁路中磁通最大，当两者的齿与槽相对时，气隙最大，磁路中磁通最小。因而当定子不动而转子转动时，磁通就周期性的变化，从而在线圈感应出近似正弦的电感信号，感应电势频率。

4、可否利用磁电感应式传感器来测流量？简述其工作原理。

答：电磁流量传感器

电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管通中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流本切割磁力线而产生感应电动势，其值可用下式表示：

流经测量管流体的瞬时流量与流速的关系为

6-8

式中，—测量管内电极处横截面面积

则：6-9

式中，—仪表常数

由式6-9可知，当传感器参数确定后，仪表常数是一定值，感应电势正与流量Q成正比。

5、什么是霍尔效应？简述霍尔电流表和霍尔场强计的工作原理。

答：金属或半导体薄片两端通以控制电流，在与薄片方向上施加磁感应强度

为的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势，

的大小正比于控制电流和磁感应强度，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。

霍尔钳形电流表的探头实用环形铁心做集束器，霍尔器件放在空隙中间。由安培定律克制，在载流导体周围会产生一正比于该电流的磁场，用霍尔元件来测量这一磁场，其输出的霍尔电势正比于该磁场，通过对磁场的测量可间接测得电流的大小。由霍尔元件构成的电流传感器为非接触式测量，测量精度高，不必切断电路电流，测量范围广，本身几乎不消耗电路功率。

磁场测量的方法很多，其中应用比较普遍的是以霍尔元件做探头的特斯拉计。锗和砷化镓的霍尔电势温度系数小，线性范围大，适于做测量磁场的探头。把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面与磁场方向垂直，控制电流恒定，则霍尔输出电势U H正比于磁场B，故可以利用它来测量磁场。

6、霍尔系数的物理意义是什么？为什么用半导体材料制造霍尔元件？

答：霍尔系数，其中为载流体的电阻率，为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是N型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。

7、什么是霍尔元件的不等位电势？如何补偿？

答：不等位电势：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，由于材料电阻率的不均匀，两个电极不在同一等位面上，霍尔元件的厚度不均匀等原因，在两霍尔电极之间的空载电势。要完全消除霍尔元件的不等位电势很困难，一般要求

。

8、什么是霍尔元件的磁阻效应？磁阻效应应对霍尔元件的输出有什么影响。答：特性是指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场之间的关系，霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增大，这种现象称磁阻效应。霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降低，尤其在强磁场时，输出降低较多，应想办法予以补偿。

9、请画出两种霍尔元件的驱动电路，简述其优缺点。

答：

对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。两种驱动方式各有优缺点，应根据工作要求确定驱动方式。

10、磁栅式传感器由哪几部分组成？简述工作原理？

答：磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。磁栅是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号，此偷渡去磁信号。当磁栅与磁头的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。磁栅传感器有长磁栅式和圆磁栅式两种，分别用来测量线位移和角位移。

11、磁栅式传感器的信号处理方法有哪些？

答：磁栅式传感器的信号处理方法有静态磁头的信号处理方法和动态磁头的信号处理方法。

12、磁栅式传感器的误差是哪些因素引起的，磁栅式传感器可应用于哪些场合。答：磁栅式传感器的误差包括零位误差和细分误差。

零位误差是由以下因素造成的：

a)磁栅的节距不均匀造成的零位误差；

b)磁栅的安装与变形误差；

c)磁栅剩磁变化所引起的零点漂移；

d)外界磁场干扰。

细分误差是由以下因素造成的：

a)

由于磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等； b)

两个磁头在空间位置偏离正交较远； c)

两个磁头参数不对称引起的误差； d) 磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量的影响。

磁栅式传感器目前有以下两个方面的应用：

a)

可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器。 b) 可以作为自动控制系统中的检测元件（线位移）。

作业题：

1. 导体在磁场中运动切割磁力线，导体两端会出现感应电动势E ，闭合导体回

路中感应电动势e=-N dt d φ

；当线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势e=-NBlv ；若线圈以角速度ω转动，、则感应电动势e=-NBS ω。

2. 只要线圈磁通量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的主要方法有线圈与磁场发生相对运动，磁路中磁阻变化，恒定磁场中线圈面积变化。当传感器结构参数确定后，感应电动势e 与线圈相对磁场的运动速度v 或ω成正比。所以，可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进行积分或微分就可求出位移和加速度。

3. 磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。

4. 电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管道中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流体切割磁力线而产生感应电动势E=B v D ，其中B 是磁感应强度，v 是平均流速，D 是距离，常与测量管内径相等。流经测量管流体的瞬时流量Q 与流速v 的关系为Q=аv =42

D πv 。

5. 在如图6-9所示的金属或半导体薄片两端通以控制电流I ，在与薄片垂直方向上施加磁感应强度为B 的磁场，则在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧