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【精品】第六章磁电式传感器

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全国高等职业教育规划教材 省级精品课程配套教材 传感器与检测技术 董春利 主编 潘洪坤 执笔 大连职业技术学院电气电子工程系 2008年3月 第六章 磁电式传感器 6.1 磁电感应式传感器 6.2 霍尔式传感器 第一节 磁电感应式传感器 ? ? ? 磁电感应式传感器有时又简称为磁电传感 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(10~1000Hz),所以得到普 遍应用。 一、磁电感应式传感器工作原理 1.电磁感应定律 ? 根据电磁感应定律:无论任何原因是通过回路面积的磁通量 发生变化时,回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变 化率的负值成正比。 2.电磁感应定律的应用 (1)线圈在恒定磁场中作直线运动 ? 线圈两端的感应电动势e为: 当θ=90°时,上式可写成: E ? WBL?sin? ? E ? WBL? (2)线圈在恒定磁场中作旋转运动 ? 线圈两端的感应电动势为: 当γ=90°时,上式可写成: E ? WBS?sin? E ? WBS? ? ω—旋转运动角速度;S—线圈的截面积; γ—线圈*面的法线方向与磁场方向间的夹角。 ? 由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系,因此 只要适当加人积分、微分电路,便能通过测量感应电动势 得到位移和加速度。 二、磁电感应式传感器的结构 1.变磁通式磁电传感器 ? 这类磁电式传感器中,产生磁场的永久磁铁和线圈都固定 不动,而是通过磁通的变化产生感应电动势。 变磁通式磁电传感器 2.恒磁通式磁电传感器 工作气隙中的磁通保持不变,而线圈中的感应电动势是由于工 作气隙中的线圈与磁钢之间作相对运动,线圈切割磁力线产生 的。其值与相对运动速度成正比。 由永久磁铁、线圈、弹簧、 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),动圈式和动 铁式的工作原理是完全相同 的。 (a)动圈式; (b)动铁式 恒磁通式磁电传感器结构 三、磁电感应式传感器的特性 1.磁电式传感器的基本特性 (1)电流输出特性 ①磁电传感器的输出电流Io为:I 0 ? ②传感器的电流灵敏度为: (2)电压输出特性 ①传感器的输出电压为: ②传感器的电压灵敏度为: SI ? B LW? E ? 0 R ? R1 R ? Rf I B0 LW ? V R ? Rf B0 LwvR f R ? Rf U0 ? I0 R f ? SU U 0 B0 LwR f ? ? v R ? Rf 2.磁电感应式传感器的测量电路 磁电式传感器测量电路方框图 四、磁电感应式传感器的应用 1.磁电式转速传感器 (1)磁电式转速传感器的结构 ? 根据磁路形式,可分为开磁路式和闭磁路式。 ? 根据形成磁场的方式,分为永磁型和励磁型两种 结构类型 ? 根据极靴的结构形式又可分为单极型、双极型和 齿型三种结构类型。 ? 根据安装形式,又可分为分离式和整体式。 (2)磁电式转速传感器 ? ? 国产SZMB-3型磁电式转速传感器使用时,该传感器通过 联轴节与被测轴连接,当转轴旋转时将角位移转换成电脉 冲信号,供二次仪表使用。该传感器每转输出60个脉冲, 输出信号幅值大于或等于300mV(50r/rain时),测速范围 为50~5000r/min。 国产SZMB-5型磁电式转速传感器使用时,该传感器输出 信号的波形为*似正弦波,幅值与SZMB—3型相同。工作 时,信号幅值大小与转速成正比,与铁心和齿顶间隙的大 小成反比。被测齿轮的模数m=2,齿数z=60,传感器铁 心和被测齿顶间隙δ=0.5mm,测量范围为50~5000r/ min。 (3)磁电式转速传感器的计算 ? 若设齿轮齿数为z,转速为n(r/min),则有: 60 T? zn zn f ? 60 或: T—感应电动势周期;f—感应电动势频率。 表明,传感器输出电动势的频率与被测转速成正比。因此, 只要将该电动势放大整形成矩形波信号,送到计数器或频 率计中,即可由频率测出转速。 2.动圈式振动速度传感器 1—限幅器; 2—壳体; 3—弹簧片; 4—芯轴; 5—磁钢; 6—线圈; 7—阻尼环; 8—输出线 ? 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。 3.磁电式扭矩传感器 ? 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,于是磁通量也发生 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。 第二节 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。 一、霍尔效应及其参数 1.霍尔效应 ? 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流,若电流与磁场垂 直,则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差, 这种现象称为霍耳效应。 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,结果使导电体上底 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,此内 电场称为霍尔电场 (a)霍耳效应; (b)霍耳元件结构; (c)图形符号; (d)外形 图6-7


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