第7章磁敏式传感器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

第7章 磁敏式传感器 主要内容 7.1 磁电感应式传感器 7.2 霍尔式传感器 知识单元与知识点 电磁感应、霍尔效应的基本概念； 磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用； 霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用； 霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿。 能力点 深入理解电磁感应、霍尔效应的基本概念； 理解磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路； 理解霍尔式传感器的工作原理； 了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿； 了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。 重难点 重点：电磁感应、霍尔效应的基本概念，磁敏式传感器工作原理、分类、测量电路，霍尔式传感器的工作原理。 难点：磁敏式传感器的基本特性。 学习要求 熟练掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念； 掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路； 掌握霍尔式传感器的工作原理； 了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿； 了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。 7.1 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称感应式或电动式传感器， 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。 　　特点：电路简单、性能稳定、输出功率大、输出阻抗小，具有一定的工作带宽（10～1000 Hz），被广泛用于转速、振动、位移、扭矩等测量中。 7.1.1工作原理 　　　电磁感应定律（法拉第，1831）：当导体在稳定均匀的磁场中，沿着垂直于磁场方向作切割磁力线运动时，导体内将产生感应电势： 如果导体的运动方向与磁场方向成θ角呢？ 线位移： 角位移： 恒磁通式传感器 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，因此气隙中磁通是恒定不变的。 根据运动部件的不同，分为动圈式和动铁式。 适用于线位移情形。 工作原理 　　动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。 　　当壳体随被测振动体一起振动时，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。 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路 变磁通式磁电传感器（用于角速度测量） 图（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。 　　特点：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。 图 (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成正比。 　　　7.1.2 磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电流Io为： 式中： Rf——测量电路输入电阻；  R——线圈等效电阻。 传感器的电流灵敏度为 而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 　　B值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况： （1）线圈电阻与指示器电阻匹配问题 　　因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。 （2）线圈的发热问题 　　传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。 测量误差 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： 即其测量误差来源于B、L、R三个方面 非线性误差 （B的影响） 主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。 这种影响分为两种情况:附加电场与工作电场方向相同（灵敏度增大），或反之。 温度误差 （L和R的影响） 　　温度误差补偿办法：在结构