磁電式感測器:原理結構,工作原理,測量電路,設計原則,分類,霍爾式,套用,傳遞矩陣

磁電式感測器是利用電磁感應原理，將輸入的運動速度轉換成線圈中的感應電勢輸出。它直接將被測物體的機械能量轉換成電信號輸出，工作不需要外加電源，是一種典型的無源感測器。由於這種感測器輸出功率較大，因而大大地簡化了配用的二次儀表電路。

磁電式感測器有時也稱作電動式或感應式感測器，它只適合進行動態測量。由於它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩定；

基本介紹

中文名：磁電式感測器
類別：感測器
工作頻帶：一般為10～1000Hz
特性：雙向轉換

原理結構,工作原理,測量電路,設計原則,分類,霍爾式,套用,傳遞矩陣,磁電套用,

原理結構

利用其逆轉換效應可構成力(矩)發生器和電磁激振器等。根據電磁感應定律，當W匝線圈在均恆磁場內運動時，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有如下關係：

根據這一原理，可以設計成變磁通式和恆磁通式兩種結構型式，構成測量線速度或角速度的磁電式感測器。下圖所示為分別用於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

(a)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，引起磁通變化而線上圈中產生感應電勢，因此又稱變磁阻式結構。

在恆磁通式結構中，工作氣隙中的磁通恆定，感應電勢是由於永久磁鐵與線圈之間有相對運動——線圈切割磁力線而產生。這類結構有兩種，如下圖所示。

恆磁通式結構 (a)動圈式；(b)動鐵式

圖中的磁路系統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，經膜片彈簧懸掛於氣隙磁場中。

當線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產生的感應電勢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)。

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

為提高靈敏度，應選用具有磁能積較大的永久磁鐵和儘量小的氣隙長度，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。

為了保證感測器輸出的線性度，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，以滿足感測器基本性能要求。

工作原理

根據電磁感應定律, 當w匝線圈在恆定磁場內運動時, 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有如下關係: E=-w(dΦ/dt)

測量電路

磁電式感測器直接輸出感應電勢, 且感測器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁電式感測器是速度感測器, 若要獲取被測位移或加速度信號, 則需要配用積分或微分電路。

設計原則

磁電感應式感測器有兩個基本元件組成:一個是產生恆定直流磁場的磁路系統，為了減小傳感器體積，一般採用永久磁鐵;另一個是線圈，由它與磁場中的磁通交鏈產生感應電動勢。感應電動勢與磁通變化率或者線圈與磁場相對運動速度成正比，因此必須使它們之間有一個相對運動。作為運動部件，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。所以，必須合理地選擇它們的結構形式、材料和結構尺寸.以滿足感測器的基本性能要求。

對於慣性式感測器，具體計算時，一般是先根據使用場合、使用對象確定結構形式和體積大小（即輪廓尺寸），然後根據結構大小初步確定磁路系統，計算磁路以便決定磁感應強度B。這樣，由技術指標給定的靈敏度S值以及確定的B值，由S = e/v= BιN即可求得線圈的匝數N。因為在確定磁路系統時，氣隙的尺寸已經確定了，線圈的尺寸也已確定，亦即 ι已經確定。根據這些參數，便可初步確定線圈導線的直徑d。從提高靈敏度的角度來看，B值大，S值也大，因此磁路結構尺寸應大些。只要結構尺寸允許，磁鐵可儘量大些，並選擇B值大的永磁材料，匝數N也可取得大些。當然具體計算時導線的增加也是受其他條件制約的，各參數的選擇要統一考慮，儘量從優。