磁電式傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

1、 磁電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展系別 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 完成 時(shí)間 磁電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展電子信息與電氣工程系09級(jí)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)（1）班 姓名 學(xué)號(hào)摘要：磁電式傳感器利用電磁感應(yīng)效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，或磁阻效應(yīng)等電磁現(xiàn)象，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化，實(shí)現(xiàn)速度，位移等參數(shù)測(cè)量。按電磁轉(zhuǎn)換機(jī)理的不同，磁電式傳感器可分為磁電感應(yīng)式傳感器，霍爾式傳感器，和磁阻效應(yīng)傳感器等，廣泛用于建筑，工業(yè)等領(lǐng)域中振動(dòng)，速度，加速度，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，磁場(chǎng)參數(shù)等的測(cè)量。1關(guān)鍵詞： 磁電式傳感器；應(yīng)用；發(fā)展正文：1 基本原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。e的大小與穿過(guò)線

2、圈的磁通變化率有關(guān)。按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻式傳感器。恒定磁通式磁電感應(yīng)式傳感器按運(yùn)動(dòng)部件的不同可分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式。1.1 恒磁通式磁電感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類(lèi)結(jié)構(gòu)有動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種，如圖所示。磁鐵與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度dx/dt成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，其大小為式中：N為線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；B為工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；l為每匝線圈平均長(zhǎng)度。1.2 變磁通式磁電感應(yīng)傳感器一般做成轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而電動(dòng)

3、勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)有開(kāi)磁路和閉磁路兩種。 如圖所示開(kāi)磁路變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器。測(cè)量齒輪4安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上與其一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒的凹凸引起磁阻的變化，從而使磁通發(fā)生變化，因而在線圈3中感應(yīng)出交變的電勢(shì)，其頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速n的乘積，即式中：Z為齒輪齒數(shù)；n為被測(cè)軸轉(zhuǎn)速(v/min)；f為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率(Hz)。這樣當(dāng)已知Z，測(cè)得f就知道n了。變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-150+90的溫度下工作，不影響測(cè)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(dá)100kHz。2 磁電式傳感器的應(yīng)用2.1 磁

4、電式速度傳感器2.1.1 理論依據(jù)機(jī)組振動(dòng)的大小可用振動(dòng)參量如位移、速度和加速度等不同量值表征，目前測(cè)量機(jī)組軸承振動(dòng)（瓦振）常用磁電式速度傳感器。磁電式速度傳感器是利用磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的換能裝置，即在傳感器線性范圍內(nèi)其電壓輸出與機(jī)組振動(dòng)速度成正比，適用于測(cè)量汽輪發(fā)電機(jī)組軸承蓋上的軸瓦或機(jī)殼振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)根據(jù)振動(dòng)的規(guī)律可以分為周期振動(dòng)和非周期振動(dòng)兩大類(lèi)。周期振動(dòng)有一種特殊形式為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，各參量之間有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為： D=Asin（2ft+） （1）式中： D 為位移量； A 為振動(dòng)位移； f 為振動(dòng)頻率； t 為時(shí)間； 為初始相位角。在正弦振動(dòng)條件下， 其振動(dòng)

5、速度換算公式為： V=A=2fA （2）式中： V 為振動(dòng)速度。振動(dòng)傳感器的靈敏度是傳感器輸出電量與輸入振動(dòng)機(jī)械量之比。為確認(rèn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，應(yīng)對(duì)傳感器的靈敏度Sv進(jìn)行定期檢測(cè)：Sv=U/V （3）式中： U 為振動(dòng)傳感器輸出電壓。速度傳感器有兩種型式，即相對(duì)式和慣性式，電力系統(tǒng)常選用慣性式磁電傳感器， 其基本結(jié)構(gòu)由彈簧支架、測(cè)量線圈、永久磁鋼、外殼和輸出引線端等部分構(gòu)成， 圖1 為結(jié)構(gòu)示意圖。2.1.2 工作原理傳感器由永久磁鋼產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，軟彈簧一端與測(cè)量線圈連接，另一端與外殼連接。傳感器緊固在汽輪發(fā)電機(jī)組軸承蓋上并隨軸承座一起振動(dòng)時(shí)，永久磁鋼和外殼隨被測(cè)物體同時(shí)上下振動(dòng)，

6、由于測(cè)量線圈有軟彈簧支撐，保持相對(duì)靜止不動(dòng)，這樣測(cè)量線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)與機(jī)組的振動(dòng)速度成正比。2.1.3 工作特點(diǎn)傳感器工作頻率范圍為51 000 Hz，在使用頻率范圍內(nèi)能輸出較強(qiáng)的電壓信號(hào)， 且不易受電磁場(chǎng)和聲場(chǎng)的干擾，測(cè)量電路較簡(jiǎn)單，傳感器輸出信號(hào)與電纜長(zhǎng)度沒(méi)有特定的要求。振動(dòng)傳感器按照信號(hào)輸出方向可分為單向型（重直或水平向）和通用型（重直或水平向均可使用）兩類(lèi)，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)應(yīng)注意傳感器的使用方向和系列號(hào)說(shuō)明。2.1.4 傳感器安裝現(xiàn)場(chǎng)安裝和檢修維護(hù)中的不規(guī)范行為或?qū)?xì)節(jié)的忽視， 都可能對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行產(chǎn)生影響。 （1）某電廠振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作不正常，檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安

7、裝未注意傳感器工作方向， 使傳感器輸出信號(hào)不正常。磁電式速度傳感器安裝時(shí)要注意其工作方向， 即安裝角度。傳感器工作方向有三種型式：垂直向（0°±2.5°）、水平向（90°±2.5°）和通用型（0°±100°， 重直或水平均可使用）。 （2）某電廠使用美國(guó)本特利公司生產(chǎn)的磁電式速度傳感器， 損壞后購(gòu)買(mǎi)新傳感器時(shí)未注意產(chǎn)品系列號(hào)， 使新傳感器接頭連接方式與原設(shè)計(jì)不匹配， 影響在線振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)正常工作。 （3）現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器時(shí)應(yīng)保證其敏感軸與正弦激振方向垂直度偏差在±5°以?xún)?nèi)， 以減少測(cè)量誤

8、差。傳感器安裝時(shí)采用浮地方式， 輸出引線插座即汽機(jī)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)應(yīng)絕緣浮空, 電纜宜采用二芯屏蔽電纜， 屏蔽層在汽機(jī)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)應(yīng)絕緣浮空， 電纜屏蔽層應(yīng)直接延伸到機(jī)架， 并將屏蔽線直接接在機(jī)架的COM 或Shield 端。2.1.5運(yùn)行維護(hù)管理 以美國(guó)本特利公司測(cè)量主機(jī)軸承振動(dòng)（瓦振）的9200 型傳感器為例說(shuō)明其檢測(cè)方法。傳感器安裝后， 確認(rèn)安裝方向和接線正確，接線和連接頭無(wú)松動(dòng)。用檢定合格的萬(wàn)用表測(cè)量傳感器兩端的輸出電阻值， 應(yīng)在620 左右。在機(jī)組正常工作且汽機(jī)監(jiān)視儀表（TSI）系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)， 用萬(wàn)用表測(cè)量傳感器兩端輸出交流電壓， 同時(shí)記錄TSI 系統(tǒng)適配該傳感器卡件通道二次儀表顯示的振幅

9、指示值。該振動(dòng)傳感器的出廠靈敏度為19.7 mV/（mm·s-1）， 假設(shè)該通道顯示的振幅峰峰值A(chǔ)P-P為100 m。根據(jù)公式（2）計(jì)算出機(jī)組的振動(dòng)速度Vp應(yīng)為15.71 mm/ s，代入公式（3）計(jì)算得出9200 型傳感器輸出電壓有效值U 應(yīng)為218.84 mV。傳感器參考點(diǎn)靈敏度的偏差一般為±5， 頻率響應(yīng)靈敏度的偏差一般為±10，但有個(gè)別廠家提供的參考點(diǎn)靈敏度偏差為±10，需根據(jù)廠家說(shuō)明書(shū)的要求判定檢查。掌握磁電式速度傳感器的工作原理和正確的檢定、安裝、使用方法， 是保證TSI 系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提和及時(shí)正確判斷機(jī)組振動(dòng)異常原因的基礎(chǔ)。為保證機(jī)組安全

10、、穩(wěn)定運(yùn)行， 應(yīng)對(duì)TSI 系統(tǒng)定期自查、按周期檢定， 及時(shí)消除缺陷并建立考評(píng)制度。配置必要的易損備品備件，損壞時(shí)能及時(shí)更換，確保TSI 系統(tǒng)能正常工作。2.2 霍爾式傳感器霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。霍爾器件是一種磁傳感器，用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1 MHz)，耐振動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 霍爾線性器件的精度

11、高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55+150。2.2.1霍爾傳感器的工作原理 霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況ABCD 當(dāng)有圖示方向磁場(chǎng)B作用時(shí)作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示： EH=KH IB霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所

12、施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。金屬材料中的自由電子濃度n很高，因此RH很小，不宜作霍爾元件?；魻栐嘤幂d流子遷移率大的N型半導(dǎo)體材料制作。另外，霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通常霍爾元件都較薄。薄膜霍爾元件的厚度只有1um左右。2.2.2霍爾元件1）霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4 mm×2 mm×0.1 mm)，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般控制

13、端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線?；魻栐臍んw用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝。 (a) 霍爾元件外形 (b)電路符號(hào) (c) 基本應(yīng)用電路2） 霍爾元件的主要特性參數(shù)(1) 靈敏度kH：表示元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下所得到的開(kāi)路霍爾電動(dòng)勢(shì)，單位為V/(A·T)。(2) 霍爾輸入電阻Rin：霍爾控制電極間的電阻值。(3) 霍爾輸出電阻Rout：霍爾輸出電極間的電阻值。(4) 霍爾元件的電阻溫度系數(shù)：表示在不施加磁場(chǎng)的條件下，環(huán)境溫度每變化1時(shí)電阻的相對(duì)變化率，單位為%/。(5) 霍爾寄生直流電勢(shì)U0：在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了

14、交流不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)。(6) 霍爾最大允許激勵(lì)電流Imax：以霍爾元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱(chēng)為最大允許激勵(lì)電流。2.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件具有結(jié)構(gòu)牢固、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性度好、頻率高、耐振動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，目前，霍爾傳感器是全球使用量排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車(chē)業(yè)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域中?；魻杺鞲衅髟谄?chē)中的應(yīng)用 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。 霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。 只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)?；魻杺鞲衅饔苫魻栐退母綄匐娐方M成的集成傳感器。它利用霍爾效應(yīng)原理，通過(guò)磁場(chǎng)、電流對(duì)被測(cè)量的控制，使包含有被測(cè)量變化信息的霍爾電壓發(fā)生變化，在利用后繼的信號(hào)檢索和信號(hào)放大電路，就可以得到被測(cè)量的信息。直流電源電壓產(chǎn)生波動(dòng)，會(huì)引起電路工作的不穩(wěn)定，對(duì)于