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第4章 磁敏传感器
第4章 磁敏传感器
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。
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磁电感应式传感器工作原理
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根据电磁感应定律, 当w匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为Φ, 则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系:
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E＝-w (7 - 1)
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根据这一原理, 可以设计成两种磁电传感器结构: 变磁通式和恒磁通式。
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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, 随之一起转动。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。
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图7 - 1(b)为闭磁路变磁通式, 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生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。
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图 7 - 2 为恒磁通式磁电传感器典型结构， 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, 从而产生感应电势为
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E=-B0Lwv (7 - 2)
式中: B0 ——工作气隙磁感应强度;
L——每匝线圈平均长度;
W——线圈在工作气隙磁场中的匝数;
v——相对运动速度。
二、 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中, 磁电传感器的输出电流Io为
Io= （7 - 3）
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
(7 - 6)
SI= (7 - 4)
(7 - 5)
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、 机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为
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ΦI, 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 - 3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, 将产生较大的感生电势E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 - 3所示方向相反时, 感生电势E、 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。
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