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根據(jù)這一原理,可以設(shè)計(jì)成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式,構(gòu)成測(cè)量線速度或角速度的磁電式傳感器。圖1所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動(dòng)速度測(cè)量的變磁通式結(jié)構(gòu)。

變磁通式結(jié)構(gòu)

(a)旋轉(zhuǎn)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(dòng)鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動(dòng)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(yīng)電勢(shì),因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。

對(duì)于慣性式傳感器,具體計(jì)算時(shí),一般是先根據(jù)使用場(chǎng)合、使用對(duì)象確定結(jié)構(gòu)形式和體積大 小(即輪廓尺寸),然后根據(jù)結(jié)構(gòu)大小初步確定磁路系統(tǒng),計(jì)算磁路以便決定磁感應(yīng)強(qiáng)度B。這樣,由技術(shù)指標(biāo)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(shù)N。因?yàn)?在確定磁路系統(tǒng)時(shí),氣隙的尺寸已經(jīng)確定了,線圈的尺寸也已確定,亦即 ι已經(jīng)確定。根據(jù)這些 參數(shù),便可初步確定線圈導(dǎo)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(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)大些。只要結(jié)構(gòu)尺寸允許,磁鐵可盡量大些,并選擇B值大的永磁材料,匝數(shù)N也可 取得大些。當(dāng)然具體計(jì)算時(shí)導(dǎo)線的增加也是受其他條件制約的,各參數(shù)的選擇要統(tǒng)一考慮,盡量從優(yōu)。

霍爾式

霍爾效應(yīng)

置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體),當(dāng)有電流流過時(shí),在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(霍爾電勢(shì)),原因是電荷受到洛倫茲力的作用。

定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外,還受到霍爾電場(chǎng)的作用,當(dāng)fl=fE時(shí),達(dá)到平衡,此時(shí)

基本結(jié)構(gòu)

霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2:

基本特性

1、額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10度時(shí)所流過的激勵(lì)電流以元件最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流

2、輸入電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻電壓源內(nèi)阻

3、不等位電勢(shì)和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí),若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,此時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。不等位電勢(shì)就是激勵(lì)電流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓。

4、寄生直流電勢(shì)

5、霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)

誤差補(bǔ)償

1、零點(diǎn)誤差:

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

寄生直流電勢(shì):由于霍耳元件是半導(dǎo)體,外接金屬導(dǎo)線時(shí),易引起PN節(jié)效應(yīng),當(dāng)電流為交流電時(shí),整個(gè)霍耳元件形成整流效應(yīng),PN節(jié)壓降構(gòu)成寄生直流電勢(shì),帶來輸出誤差。

補(bǔ)償方法

制作工藝上保證電極對(duì)稱、歐姆接觸

電路補(bǔ)償

2、霍爾元件的溫度補(bǔ)償

誤差原因:溫度變化時(shí),KH,Ri(輸入電阻)變化

補(bǔ)償辦法

1、對(duì)溫度引起的I進(jìn)行補(bǔ)償。采用恒流源供電。但只能減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵(lì)電流的變化的影響。

2、對(duì)KHI乘積項(xiàng)同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。采用恒流源與輸入回路并聯(lián)電阻。如圖3所示:

應(yīng)用

1、霍爾式位移傳感器工作原理圖:如圖4所示

2、幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu):如圖5所示:

3、霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作示意圖及電路圖:如圖6所示:

一.機(jī)械阻抗圖(a)所示的質(zhì)量為m、彈簧剛度為k,阻尼系數(shù)為c的單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動(dòng)速度和位移分別為v和x,由此可列出力平衡方程

機(jī)械阻抗圖(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯(lián)電路,設(shè)電源電壓為u,回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程

這兩個(gè)微分方程式雖然機(jī)電內(nèi)容不同,但形式相同。因此,這兩個(gè)系統(tǒng)為一對(duì)相似系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)求解它的微分方程來討論其動(dòng)態(tài)特性,故上述兩相似系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性必然一致,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電模擬。

一對(duì)相似系統(tǒng)

(a)單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng);(b)RLC串聯(lián)電路

在電路中存在著電阻抗,它是將電流與電壓聯(lián)系起來的一個(gè)參數(shù),可以設(shè)想,如同電路中的電阻抗一樣,假設(shè)機(jī)械系統(tǒng)存在"機(jī)械阻抗"ZM。類似于電系統(tǒng),由第一個(gè)式子可得

可見ZM是將機(jī)械系統(tǒng) 中某一點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)響 應(yīng)與引起這個(gè)運(yùn)動(dòng)的力聯(lián)系起來的一個(gè)參數(shù)。由此可得,作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的線性機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械阻抗的定義為

機(jī)械阻抗ZM(復(fù)數(shù))=激振力(復(fù)數(shù))/運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(復(fù)數(shù))

引用機(jī)械阻抗概念來分析機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,就可以用簡(jiǎn)單的代數(shù)方法求得描述動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù),而不必求解微分方程。

磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn),它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量,因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

常用地測(cè)振傳感器有動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器、圈式振動(dòng)速度傳感器等。

一、測(cè)振傳感器的應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等,其振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究都可使用磁電式傳感器。

二、測(cè)振傳感器的工作特性

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

這樣,在較高振動(dòng)頻率下,由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對(duì)大地靜止。這時(shí),振動(dòng)體(同傳感器殼體)相對(duì)質(zhì)量塊的位移y(輸出)就可真實(shí)地反映振動(dòng)體相對(duì)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(zhuǎn)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(jī)械量。

在慣性儀器——陀螺儀與加速度計(jì)中廣泛應(yīng)用的動(dòng)圈式或動(dòng)鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中是非常重要的設(shè)備,用以獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù),如共振頻率、剛度、阻尼、振動(dòng)部件的振型等。

除上述應(yīng)用外,磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測(cè)量。