磁電式傳感器解析，磁電式傳感器的原理結構及其應用

　　磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將輸入運動速度變換成感應電勢輸出的傳感器。它能把被測對象的機械能轉換成易于測量的電信號，是一種無源傳感器。磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器， 它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定。

　　磁電式傳感器的原理結構

　　磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器， 它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；

　　利用其逆轉換效應可構成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應定律，當W匝線圈在均恒磁場內運動時，設穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內的感應電勢e與磁通變化率dΦ/dt有如下關系：

　　根據(jù)這一原理，可以設計成變磁通式和恒磁通式兩種結構型式，構成測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角速度及振動速度測量的變磁通式結構。

　　變磁通式結構

　?。╝）旋轉型（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，動鐵心3（銜鐵）的運動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應電勢，因此又稱變磁阻式結構。

　　變磁式結構

　　在恒磁通式結構中，工作氣隙中的磁通恒定，感應電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動——線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結構有兩種，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。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場中。

　　當線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產(chǎn)生的感應電勢e為

　　式中 B——氣隙磁通密度（T）；

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

　　v——線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度（ms-1）。

　　當傳感器的結構確定后，式（5-2）中B、la、W都為常數(shù)，感應電勢e僅與相對速度v有關。傳感器的靈敏度為

　　為提高靈敏度，應選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，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內運動。設計者的任務是選擇合理的結構形式、材料和結構尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。

　　各種磁電式傳感器

　　1、磁電感應式傳感器

　?。?） 磁電感應式傳感器的特點

　　磁電感應式傳感器簡稱感應式傳感器，也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉變?yōu)楦袘妱觿?，是一種機-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍（一般為10～1000Hz），適用于振動、轉速、扭矩等測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。

　　（2） 磁電感應式傳感器的工作原理，分類與應用

　　工作原理：根據(jù)電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線，線圈內產(chǎn)生感應電動勢e。e的大小與穿過線圈的磁通Φ變化率有關。按工作原理不同，磁電感應式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。

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

　　變磁通式磁電感應傳感器中，線圈和磁鐵都靜止不動， 轉動物體引起磁阻、磁通變化，常用來測量旋轉物體的角速度。如動畫所示，線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪1（導磁材料制成）每轉過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈3產(chǎn)生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪1上齒輪的齒數(shù)和轉速的乘積。變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度下工作，不影響測量精度，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100Hz。

　　2、霍爾式傳感器

　　（1） 霍爾傳感器的特點

　　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原理而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍大（輸出電勢變化范圍可達1000:1）、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應用。

　?。?） 霍爾傳感器原理

　　金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。

　　霍爾效應原理

　　霍爾電勢可用下式表示：

　　霍爾傳感器利用霍爾效應實現(xiàn)對物理量的檢測，按被檢測對象的性質可將它們的應用分為直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數(shù)、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

　?。?） 霍爾傳感器的應用

　　維持I、q 不變，則EH=f（B），這方面的應用有測量磁場強度的高斯計、測量轉速的霍爾轉速表、磁性產(chǎn)品計數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測量原理的霍爾式加速度計、微壓力計等;

　　維持I、B不變，則EH=f（q），這方面的應用有角位移測量儀等。

　　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，這方面的應用有模擬乘法器、霍爾式功率計等。

　?。?） 霍爾傳感器的選用注意事項

　　1．磁場測量。如果要求被測磁場精度較高，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，且材料性能好，可以做的體積較小。在被測磁場精度較低，體積要求不高。如精度低于±0.5％時，最好選用硅和鍺雹爾元件。

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

　　3．轉速和脈沖測量。測量轉速和脈沖時，通常是選用集成霍爾開關和銻化銦霍爾元件。如在錄像機和攝像機中采用了銻銦霍爾元件替代電機的電刷，提高了使用壽命。

　　4．信號的運算和測量。通常利用霍爾電勢與控制電流、被測磁場成正比，并與被測磁場同霍爾元件表面的夾角成正弦關系的特性，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磁場乘積成正比的特性。制造功率表、電度表等。

　　5．拉力和壓力測量。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體材料的磁阻效應（或稱高斯效應）。磁阻效應與霍爾效應的區(qū)別在于感應電動勢相對于電流的方向，霍爾電勢是垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是沿電流方向的電阻變化。

　　上圖是一種測量位移的磁阻效應傳感器。將磁阻元件置于磁場中，當它相對于磁場發(fā)生位移時，元件內阻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。

　　磁阻效應與材料性質及幾何形狀有關，一般遷移率大的材料，磁阻效應愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。

　　磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁場等參數(shù)的測量。

　　磁電應用

　　測振傳感器

　　磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。

　　常用地測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。

　?。ㄒ唬?。測振傳感器的應用

　　航空發(fā)動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監(jiān)測與研究都可使用磁電式傳感器。

　?。ǘ?。測振傳感器的工作特性

　　振動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）式測振傳感器，要求選擇較大的質量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。

　　這樣，在較高振動頻率下，由于質量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體（同傳感器殼體）相對質量塊的位移y（輸出）就可真實地反映振動體相對大地的振幅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械量。

　　在慣性儀器——陀螺儀與加速度計中廣泛應用的動圈式或動鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應用。它在機械結構的動態(tài)實驗中是非常重要的設備，用以獲取機械結構的動態(tài)參數(shù)，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。

　　除上述應用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉速等測量。