磁電式傳感器第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月定義利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。直接將機械能轉(zhuǎn)換為電能，是有源傳感器。第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)磁電感應(yīng)式傳感器一、類型及其工作原理電磁感應(yīng)定律N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，即第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)線圈的導(dǎo)體與磁場之間做相對切割磁力線運動時，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由此可設(shè)計一類恒磁通式磁電傳感器。用于測量振動及線速度。NSLve第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）恒定磁通式動圈式動鐵式第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月恒磁通式磁電傳感器由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場,磁路中的工作氣隙固定不變,因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運動部件可以是線圈（動圈式）,也可以是磁鐵（動鐵式）,動圈式（（a））和動鐵式（(b)）的工作原理是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時,由于彈簧較軟,運動部件質(zhì)量相對較大。當(dāng)振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時,運動部件慣性很大,來不及隨振動體一起振動,近乎靜止不動,振動能量幾乎全被彈簧吸收,永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度,磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線,從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢為第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：1、磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場。氣隙不變，磁通不變。2、磁鐵與線圈之間相對切割磁力線運動。線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為式中:B——工作氣隙磁感應(yīng)強度;

——每匝線圈平均長度;

——線圈在工作氣隙磁場中的匝數(shù);v——相對運動速度。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）變磁通式又稱為變磁阻式或變氣隙式，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。開磁路變磁通式第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月開磁路變磁通式:線圈、磁鐵靜止不動,測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上,隨之一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒,齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢,其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪齒數(shù)的乘積。當(dāng)齒輪的齒數(shù)Z確定以后，若能測出f就可求出轉(zhuǎn)速n(n＝60f／z)。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號小，轉(zhuǎn)速高時信號失真也大，在振動強或轉(zhuǎn)速高的場合，往往采用閉磁路。第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月閉磁路變磁通式變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月閉磁路變磁通式,它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成,內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時,外齒輪不動,內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動,內(nèi)、外齒輪的相對轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化,從而引起磁路中磁通的變化,使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感生電動勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、設(shè)計要點1.工作氣隙2．永久磁鐵使永久磁鐵盡可能工作在最大磁能積上。3．線圈組件在高精度傳感器中，線圈磁場效應(yīng)不能忽略，采用補償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補償。第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用1.動圈式振動速度傳感器第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理傳感器與被測物體剛性連接,當(dāng)物體振動時,傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動,而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。因而,磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢,線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。該傳感器測量的是振動速度參數(shù)。第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）磁電式扭矩傳感器扭矩的電測技術(shù)主要是通過傳感器把扭矩這個機械量轉(zhuǎn)換成相位、然后用相位計來測量相位，從而達(dá)到測量扭矩的目的。第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)為開磁路變磁通系統(tǒng)。要求齒形圓盤制作完全一致。（1）當(dāng)扭距為0時，兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2完全一致，（同頻、同相、同幅）相位差為0。（2）當(dāng)有扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時,兩個磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)霍爾式傳感器一、工作原理1.霍爾效應(yīng)

將半導(dǎo)體薄片置于磁場B中，在薄片控制電極通以電流I，在輸出電極產(chǎn)生霍爾電勢UH。此現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電子在磁場中受洛倫茲力作用（右手螺旋定則）bIdUHfEvfl電子向極板一方偏轉(zhuǎn)，積累電子。一邊積累電子，另一邊積累正電荷，形成電場。其中E為電場強度第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月正負(fù)電極之間形成電勢為霍爾電勢。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應(yīng)強,則RH值大,因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成a,b兩根引線，稱為控制電流端引線c,d兩根引線，稱為霍爾輸出引線霍爾元件符號第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以為放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻?；魻栃?yīng)建立的時間極短（10-12～10-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、霍爾元件的誤差及其補償

產(chǎn)生誤差的原因：一是制作工藝、制作水平的限制。二是外界溫度的影響。

（1）不等位電勢U0及其補償B=0，I≠0，UH=U0≠0。U0為不等位電勢。產(chǎn)生原因：①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上;②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻;③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月兩電極電不在同一等電位面上等電位面歪斜第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月不等位電勢補償方法：可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補償方法。

第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.寄生直流電勢原因：①由于元件的兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng);②兩個霍爾電極的焊點大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）霍爾元件溫度誤差及補償

霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時,霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,致使霍爾電動勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻補償思想第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度時，元件靈敏度系數(shù)為,輸入電阻為，溫度為t時，它們分別為，因為因此第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度為t時溫度時為了使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月將有關(guān)式代入可得通常霍爾元件的靈敏度溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于元件的電阻溫度系數(shù)，因此第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2．合理選取負(fù)載電阻的阻值使得第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3．采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻4．采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲等)第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月5．霍爾元件不等位電勢的溫度補償?shù)?7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、霍爾式傳感器的應(yīng)用（一）霍爾式位移傳感器①霍爾元件處于中間位置位移Δx=0時，由于B=0，所以UH=0②霍爾元件右移,Δx>0，合成磁感應(yīng)強度B向左,B≠0，UH>0③霍爾元件左移，Δx<0，合成磁感應(yīng)強度B向右,B≠0，UH<0。第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)霍爾式壓力傳感器第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)磁柵式傳感器磁柵式傳感器主要由磁柵和磁頭組成。磁柵上錄有等間距的磁信號，利用磁帶錄音的原理將等節(jié)距的周期變化的電信號用錄磁的方法記錄在磁性尺子或圓盤上而制成的。裝有磁柵傳感器的儀器或裝置工作時，磁頭相對于磁柵將占有一定的相對位置或相對位移，在這個過程中，磁頭把磁柵上的磁信號讀出來，這樣就把被測位置或位移轉(zhuǎn)換成電信號。第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、磁柵(一)磁柵的結(jié)構(gòu)第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)磁柵的類型磁柵分為長磁柵和圓磁柵兩大類，前者用于測量直線位移，后者用于測量角位移。第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月長磁柵第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圓磁柵二、磁頭

磁柵上的磁信號由讀取磁頭讀出，按讀取信號方式的不同，磁頭可分為動態(tài)磁頭與靜態(tài)磁頭。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）動態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)讀出信號磁頭與磁尺間有相對運動時才有信號輸出。第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)靜態(tài)磁頭調(diào)制式磁頭，又稱磁通響應(yīng)式磁頭，磁頭磁柵之間沒有相對運動的情況下也有信號輸出。1．讀出原理---氣隙磁阻---鐵心磁阻第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月勵磁電壓變化一個周期，鐵心飽合兩次，變化兩個周期。因此可近似認(rèn)為在磁柵不動的情況下為一常量，輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢為：漏磁通是磁柵位置的周期函數(shù)。磁柵與磁頭相對移動一節(jié)距W，就變化一個周期。因此近似為：第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：靜態(tài)磁頭的磁柵是利用它的漏磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的。靜態(tài)磁頭輸出信號的頻率為勵磁電源頻率的兩倍，其幅值則與磁柵磁頭相對位移成正弦(或余弦)關(guān)系。第48頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2．靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)舉例第49頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月偶次諧波的消除第50頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、信號處理方式(一)鑒幅方式兩個磁頭的輸出：經(jīng)檢波