磁電式感測器

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，引起磁通變化而在線圈中產生感應電勢，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佈，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后，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。

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)

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。

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，磁鐵可盡量大些，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，盡量從優。

一般分為兩種：（1）磁電感應式（2）霍爾式

置於磁場中的導體（或半導體），當有電流流過時，在垂直於電流和磁場的方向會產生電動勢（霍爾電勢），原因是電荷受到洛倫茲力的作用。

定向運動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當fl=fE時，達到平衡，此時

基本結構

霍爾元件的基本結構圖如下：

基本特性

（1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10度時所流過的激勵電流以元件最大溫升為限制所對應的激勵電流

（2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻電壓源內阻

（3）不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應強度為零，此時測得的空載霍爾電勢。不等位電勢就是激勵電流經不等位電阻所產生的電壓。

（4）寄生直流電勢

（5）霍爾電勢溫度係數

誤差補償

（1）零點誤差：

不等位電勢：①電極引出時偏斜，②半導體的電阻特性（等勢面傾斜）造成。③激勵電極接觸不良。

寄生直流電勢：由於霍耳元件是半導體，外接金屬導線時，易引起PN節效應，當電流為交流電時，整個霍耳元件形成整流效應，PN節壓降構成寄生直流電勢，帶來輸出誤差。

補償方法

製作工藝上保證電極對稱、歐姆接觸

電路補償

（2）霍爾元件的溫度補償

誤差原因：溫度變化時，KH,Ri（輸入電阻）變化

補償辦法

1.對溫度引起的I進行補償。採用恆流源供電。但只能減小由於輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流的變化的影響。

2.對KHI乘積項同時進行補償。採用恆流源與輸入迴路並聯電阻。如圖所示：

（1）霍爾式位移感測器工作原理圖：如圖所示

(2)幾種霍爾式轉速感測器的結構：如圖所示:

(3)霍爾計數裝置的工作示意圖及電路圖：如圖所示：

一。傳遞矩陣

一。機械阻抗下圖(a)所示的質量為m、彈簧剛度為k，阻尼係數為c的單自由度機械振動系統。設在力F作用下產生的振動速度和位移分別為v(圖中即ν)和x，由此可列出力平衡方程

下圖(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯電路，設電源電壓為u，迴路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程

這兩個微分方程式雖然機電內容不同，但形式相同。因此，這兩個系統為一對相似系統。一個系統可以根據求解它的微分方程來討論其動態特性，故上述兩相似系統的動態特性必然一致，可以實現機電模擬。

一對相似系統

(a)單自由度機械振動系統；(b)RLC串聯電路

在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯繫起來的一個參數，可以設想，如同電路中的電阻抗一樣，假設機械系統存在“機械阻抗”ZM。類似於電系統，由第一個式子可得

可見ZM是將機械系統 中某一點上的運動響 應與引起這個運動的力聯繫起來的一個參數。由此可得，作簡諧運動的線性機械系統的機械阻抗的定義為

機械阻抗ZM(複數)=激振力(複數)/運動響應(複數)

引用機械阻抗概念來分析機械系統的動態特性，就可以用簡單的代數方法求得描述動態特性的傳遞函數，而不必求解微分方程。

測振感測器

磁電式感測器主要用于振動測量。其中慣性式感測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視系統中獲得了廣泛的應用。

常用地測振感測器有動鐵式振動感測器、圈式振動速度感測器等。

(一).測振感測器的應用

航空發動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動台、化工設備、各種水、氣管道、橋樑、高層建築等，其振動監測與研究都可使用磁電式感測器。

(二).測振感測器的工作特性

振動感測器是典型的集中參數m、k、c二階系統。作為慣性(絕對)式測振感測器，要求選擇較大的質量塊m和較小的彈簧常數k。

這樣，在較高振動頻率下，由於質量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體(同感測器殼體)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)。

磁電式力發生器與激振器

前已指出磁電式感測器具有雙向轉換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度感測器的線圈輸入電量，那麼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感測器的逆嚮應用。它在機械結構的動態實驗中是非常重要的設備，用以獲取機械結構的動態參數，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。

除上述應用外，磁電式感測器還常用於扭矩、轉速等測量。