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第7章 磁电式传感器 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电
磁电式传感器 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换成电信号的一种传感器。磁电式传感器有磁电感应式传感器、霍尔式传感器等。下面将分别讨论。 7.1 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(10~1000 Hz),所以得到普遍应用。 7.1.1 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 式中:B—稳恒均匀磁场的磁感应强度; —导体有效长度; —导体相对磁场的运动速度。 当一个W匝线圈相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,则线圈内的感应电势e与磁通变化率有如下关系: 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。 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。 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应正比。 图7-2为恒定磁通式磁电传感器典型结构图。它由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。 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(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))的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体振动时,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 (7-3) 式中:B—工作气隙磁感应强度; —每匝线圈平均长度; W—线圈在工作气隙磁场中的匝数; —相对运动速度。 7.1.2 磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接人磁电传感器电路时,如图7-3所示,磁电传感器的输出电流为 (7-4) 式中:—测量线路输人电阻; R—线圈等效电阻。 传感器的电流灵敏度为 (7-5) 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) 1.非线性误差 磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是:由于传感器线圈内有电流I流过时,将产生一定的交变磁通,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,如图7-4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,将产生较大的感应电势和较大的电流I,由此而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。当线圈的运动速度与图7-4所示方向相反时,感应电势、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,这种非线性失真越严重。 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7-2(a)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。 2.温度误差 当温度变化时,式(7-8)中右边三项都不为零,对铜线而言每摄氏度变化量为 每摄氏度的变化量决定于永久磁
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