磁電式傳感器解析，磁電式傳感器的原理結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

　　磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。它能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種無源傳感器。磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定。

　　磁電式傳感器的原理結(jié)構(gòu)

　　磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定；

　　利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：

　　根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測(cè)量線速度或角速度的磁電式傳感器。下圖所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動(dòng)速度測(cè)量的變磁通式結(jié)構(gòu)。

　　變磁通式結(jié)構(gòu)

　?。╝）旋轉(zhuǎn)型（變磁））； （b）平移型（變氣隙）

　　其中永久磁鐵1（俗稱“磁鋼”）與線圈4均固定，動(dòng)鐵心3（銜鐵）的運(yùn)動(dòng)使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。

　　變磁式結(jié)構(gòu)

　　在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)——線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如下圖所示。

　　圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場(chǎng)均勻分布，測(cè)量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場(chǎng)中。

　　當(dāng)線圈與磁鐵間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為

　　式中 B——氣隙磁通密度（T）；

　　l——氣隙磁場(chǎng)中有效匝數(shù)為W的線圈總長(zhǎng)度（m）為l=laW（la為每匝線圈的平均長(zhǎng)度）

　　v——線圈與磁鐵沿軸線方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（ms-1）。

　　當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式（5-2）中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢(shì)e僅與相對(duì)速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為

　　為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長(zhǎng)度，以提高氣隙磁通密度B；增加la和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。

　　為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。

　　各種磁電式傳感器

　　1、磁電感應(yīng)式傳感器

　　（1） 磁電感應(yīng)式傳感器的特點(diǎn)

　　磁電感應(yīng)式傳感器簡(jiǎn)稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。它把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般為10～1000Hz），適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。

　　（2） 磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理，分類與應(yīng)用

　　工作原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。e的大小與穿過線圈的磁通Φ變化率有關(guān)。按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻式傳感器。

　　恒定磁通式磁電感應(yīng)式傳感器按運(yùn)動(dòng)部件的不同可分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式。動(dòng)圈式磁電傳感器的中線圈是運(yùn)動(dòng)部件，基本形式是速度傳感器，能直接測(cè)量線速度或角速度，如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測(cè)量位移或加速；動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)式傳感器的運(yùn)動(dòng)部件是鐵芯，可用于各種振動(dòng)和加速度的測(cè)量。

　　變磁通式磁電感應(yīng)傳感器中，線圈和磁鐵都靜止不動(dòng)， 轉(zhuǎn)動(dòng)物體引起磁阻、磁通變化，常用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。如動(dòng)畫所示，線圈3和磁鐵5靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪1（導(dǎo)磁材料制成）每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪1上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度下工作，不影響測(cè)量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)100Hz。

　　2、霍爾式傳感器

　　（1） 霍爾傳感器的特點(diǎn)

　　霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍大（輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1）、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。

　　（2） 霍爾傳感器原理

　　金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

　　霍爾效應(yīng)原理

　　霍爾電勢(shì)可用下式表示：

　　霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的檢測(cè)，按被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。

　?。?） 霍爾傳感器的應(yīng)用

　　維持I、q 不變，則EH=f（B），這方面的應(yīng)用有測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測(cè)量原理的霍爾式加速度計(jì)、微壓力計(jì)等;

　　維持I、B不變，則EH=f（q），這方面的應(yīng)用有角位移測(cè)量?jī)x等。

　　維持q 不變，則EH=f（IB），即傳感器的輸出EH與I、B的乘積成正比，這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾式功率計(jì)等。

　?。?） 霍爾傳感器的選用注意事項(xiàng)

　　1．磁場(chǎng)測(cè)量。如果要求被測(cè)磁場(chǎng)精度較高，如優(yōu)于±0.5％，那么通常選用砷化鎵霍爾元件，其靈敏度高，約為5—10mv/100mT.溫度誤差可 忽略不計(jì)，且材料性能好，可以做的體積較小。在被測(cè)磁場(chǎng)精度較低，體積要求不高。如精度低于±0.5％時(shí)，最好選用硅和鍺雹爾元件。

　　2．電流測(cè)量。大部分霍爾元件可以用于電流測(cè)量，要求精度較高時(shí)．選用砷化鎵霍爾元件，精度不高時(shí)，可選用砷化鎵、硅、鍺等霍爾元件。

　　3．轉(zhuǎn)速和脈沖測(cè)量。測(cè)量轉(zhuǎn)速和脈沖時(shí)，通常是選用集成霍爾開關(guān)和銻化銦霍爾元件。如在錄像機(jī)和攝像機(jī)中采用了銻銦霍爾元件替代電機(jī)的電刷，提高了使用壽命。

　　4．信號(hào)的運(yùn)算和測(cè)量。通常利用霍爾電勢(shì)與控制電流、被測(cè)磁場(chǎng)成正比，并與被測(cè)磁場(chǎng)同霍爾元件表面的夾角成正弦關(guān)系的特性，制造函數(shù)發(fā)生器。利用霍爾元件輸出與控制電流和被測(cè)磁場(chǎng)乘積成正比的特性。制造功率表、電度表等。

　　5．拉力和壓力測(cè)量。選用霍爾件制成的傳感器較其它材料制成的陣感器靈敏度和線性度更佳。

　　3、磁阻效應(yīng)傳感器

　　磁阻元件類似霍爾元件，但它的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)（或稱高斯效應(yīng)）。磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別在于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相對(duì)于電流的方向，霍爾電勢(shì)是垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。

　　上圖是一種測(cè)量位移的磁阻效應(yīng)傳感器。將磁阻元件置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它相對(duì)于磁場(chǎng)發(fā)生位移時(shí)，元件內(nèi)阻R1、R2發(fā)生變化，如果將它們接于電橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。

　　磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長(zhǎng)、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。

　　磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁場(chǎng)等參數(shù)的測(cè)量。

　　磁電應(yīng)用

　　測(cè)振傳感器

　　磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　常用地測(cè)振傳感器有動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器、圈式振動(dòng)速度傳感器等。

　?。ㄒ唬?。測(cè)振傳感器的應(yīng)用

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究都可使用磁電式傳感器。

　?。ǘ?。測(cè)振傳感器的工作特性

　　振動(dòng)傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性（絕對(duì)）式測(cè)振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。

　　這樣，在較高振動(dòng)頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對(duì)大地靜止。這時(shí)，振動(dòng)體（同傳感器殼體）相對(duì)質(zhì)量塊的位移y（輸出）就可真實(shí)地反映振動(dòng)體相對(duì)大地的振幅x（輸入）。

　　磁電式力發(fā)生器與激振器

　　前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量。

　　在慣性儀器——陀螺儀與加速度計(jì)中廣泛應(yīng)用的動(dòng)圈式或動(dòng)鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中是非常重要的設(shè)備，用以獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如共振頻率、剛度、阻尼、振動(dòng)部件的振型等。

　　除上述應(yīng)用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測(cè)量。