第八章 磁电型传感器与测量电路 - PowerPoint PPT Presentation

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第八章 磁电型传感器与测量电路

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第八章 磁电型传感器与测量电路

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  1. 第八章 磁电型传感器与测量电路 磁电型传感器是将磁信号转换成电信号或电参量的装置。利用磁场作为媒介可以检测很多物理量,如位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可实现非接触测量,并且不从磁场中获取能量。常用的磁电式传感器有磁电感应式传感器、磁栅式传感器、霍尔式传感器及各种磁敏元件等。 8.1 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器是典型的有源传感器,其特点是输出功率大、稳定可靠、结构简单、可简化二次仪表,工作时不需要外加电源,可直接将被测物体的机械能转换为电量输出,工作频率在10~500Hz,适合做机械振动测量和转速测量。但传感器尺寸大、较重,频率响应低。

  2. 图8-1 磁电感应工作原理 8.1.1 工作原理和结构形式 磁电感应式传感器利用导体和磁场发生相对运动时会在导体两端输出感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可知,导体在磁场中运动切割磁力线,或者通过闭合线圈的磁通发生变化时,在导体两端或线圈内将产生感应电动势,电动势的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。当导体在均匀磁场中,沿垂直磁场方向运动时(如图8.1所示),导体内产生的感应电动势为 这就是磁电感应式传感器的基本工作原理。根据这一原理,磁电感应式传感器有恒磁通式和变磁通式两种结构形式。

  3. (a)动圈式 (b)动磁式 1.金属骨架; 2.弹簧; 3.线圈; 4.永久磁铁; 5.壳体 图8-2 恒磁通式磁电感应传感器示意图 1.恒磁通式 图8-2为恒磁通式磁电感应传感器结构示意图。磁路系统产生恒定的磁场,工作间隙中的磁通也恒定不变,感应电动势是由线圈相对永久磁铁运动时切割磁力线而产生的。运动部件可以是线圈或是磁铁,因此结构上又分为动圈式和动磁式两种。 图8-2(a)中,永久磁铁与传感器壳体固定,线圈相对于传感器壳体运动,称动圈式。 图8-2(b)中,线圈组件与传感器壳体固定,永久磁铁相对于传感器壳体运动,称动磁式。

  4. (a)开磁路变磁通式转速传感器 (b)闭磁路变磁通式转速传感器 1.被测转轴; 2.铁齿轮; 3.线圈; 4.软铁; 5.永久磁铁 图8-3 变磁通式磁电感应传感器示意图 2.变磁通式 变磁通式磁电感应传感器结构及原理如图8-3所示,线圈和磁铁都静止不动,感应电动势是由变化的磁通产生的。由导磁材料组件构成的被测体运动时,如转动物体引起磁阻变化,使穿过线圈的磁通量变化,从而在线圈中产生感应电动势,所以这种传感器也称为变磁阻式。根据磁路系统的结构不同又分为开磁路和闭磁路两种。 图8-3(a)是开磁路变磁通式转速传感器。 图8-3(b)是闭磁路变磁通式转速传感器。

  5. 8.1.2 磁电感应式传感器的基本特性 传感器的结构尺寸确定后,式(8-2)中的B、L、N均为常数。传感器输出电动势可表示为 (8-3) 式中,s为传感器灵敏度,传感器输出电动势正比于运动速度v。磁电感应式传感器的电流灵敏度和电压灵敏度分别定义如下。 电流灵敏度是单位速度引起的输出电流变化,为 (8-4) 电压灵敏度是单位速度引起的输出电压变化,为 (8-5) 显然,为提高灵敏度可设法增大磁场强度B、每匝线圈长度L和线圈匝数N。但在选择参数时要综合考虑传感器的材料、体积、重量、内阻和工作频率。

  6. 图8-4 磁电传感器的灵敏度特性 图8-4为电动式磁电感应式传感器的灵敏度特性曲线。由式(8-2)得出的理论特性是一条图8-4 磁电传感器的灵敏度特性直线,而实际的灵敏度特性是非线性关系。当运动速度v<v0时,运动速度太小不足以克服构件内的静摩擦力,因此没有感应电动势输出;当运动速度u> v0时,传感器才能克服静摩擦力开始做相对运动;当运动速度v>vc时惯性太大,超过传感器弹性形变范围时,输出曲线开始弯曲。传感器运动速度通常工作在(vb,vc)范围之间,保证有足够的线性范围。

  7. 积分电路 磁电传感器 测量参数选择 主放大器 输出测量值 微分电路 图8-5 磁电感应式传感器测量电路原理框图 8.1.3 磁电感应式传感器的测量电路 磁电感应式传感器可直接输出感应电势,而且具有较高的灵敏度,对测量电路无特殊要求。用于测量振动速度时,能量全被弹簧吸收,磁铁与线圈之间相对运动速度接近于振动速度,磁路间隙中的线圈切割磁力线时,产生正比于振动速度的感应电动势,直接输出速度信号。如果要进一步获得振动位移和振动加速度,可分别接入积分电路和微分电路,将速度信号转换成与位移和加速度有关的电信号输出。 图8-5是磁电感应式传感器测量电路原理框图,为便于阻抗匹配,将积分电路和微分电路置于两级放大器之间,磁电感应式传感器的输出信号直接经主放大器输出,该信号与速度成比例。

  8. 图8-6a 积分电路 1.积分电路 已知速度和位移、时间关系为 或 设传感器输出电压为积分放大器输入电压:Ui=e=sv,通过积分电路(图8-6a)输出电压为 式中,RC为积分时间常数。 上式结果表示积分电路的输出电压Uo正比于输入信号Ui对时间的积分值,即正比于位移x的大小。

  9. 图8-6b 微分电路 2.微分电路 已知加速度和速度、时间关系为 同样设传感器输出电压为微分放大器输入电压:Ui=e=sv,通过微分电路(如图8-6b所示)输出电压为 上式结果表示微分电路的输出电压Uo正比于输入信号Ui对时间的微分值,即正比于加速度a。

  10. 8.1.4 磁电感应式传感器的应用 磁电感应式传感器是惯性式传感器,突出特点是不需要静止的基准参考信号,可直接安装在被测体上。这是一种典型的发电型传感器,工作时可不加电压,直接将机械能转化为电能输出,电动式磁电传感器从根本上讲是速度传感器。磁电式传感辐输出阻抗低,通常为几十欧~几千欧,对后置电路要求低,干扰小,通常用来做机械振动测量。振动传感器作为二阶传感器系统按结构大体可分为两种:1)动磁型(线圈与壳体固定,永久磁铁用弹簧支撑);2)动圈型(永久磁铁与壳固定,线圈用弹簧支撑)。

  11. 1.弹簧片; 2.阻尼环; 3.磁铁; 4.铝支架; 5.芯轴; 6.线圈; 7.壳体; 8.引线 图8-7 CD-1型振动速度传感器结构原理示意图 1. 磁电式振动速度传感器 图8-7是CD1型振动速度传感器结构原理示意图。永久磁铁3中间有一小孔,孔芯轴架起线圈6,芯轴5两端通过弹簧片l与外壳7连接,工作时由于弹簧较软,当壳体随被测体一起振动时,架空的芯轴、线圈和阻尼环2因惯性而不随之振动。因而,传感器外壳和永久磁铁的振动引起间隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势。CD一1型传感器属于绝对振动传感器。

  12. 图8-8 磁电感应式扭矩传感器 2.磁电式扭矩传感器 图8-8所示为磁电感应式扭矩传感器的结构示意图,转子和线圈固定在传感器轴上,定子(永久磁铁)固定在传感器外壳上,转子、定子上有一一对应的齿和槽。 测量扭矩时,将两个传感器的转轴(包括转子和线圈)分别固定在被测轴的两端,外壳固定不动。安装时,一个传感器的定子齿与转子齿相对,另一个传感器的定子槽与转子齿相对。当被测轴无外加扭矩时,扭转角为零,此时若转轴以一定的角速度转动,则在两个传感器中产生相位差为180°、波形近似为正弦波的两个感应电势。当被测轴感受扭矩时,轴的两端将产生扭转角φ,在弹性范围内扭转角与扭矩成正比。两个感应电势将因扭转角而产生附加相位差φ0。测量此相位差φ0,应用材料力学的计算方法就可以计算出传递的扭矩。

  13. 图8-9 磁电感应式流量计 3.磁电式流量计 基于磁电感应原理的流量计如图8-9所示。在绝缘导管上、下方放置永久磁铁,只要被测流体是导电的(如酸、碱类流体),当其在导管中流动时,水平方向的两个电极就产生感应电势。 感应电势与流体平均流速成正比,也与单位时间内通过导管横截面的流体体积(即流量)成正比。感应电势经放大后输出,由此可测出导管内流体的流量。 这种流量计要求流体必须是导电的,但它无机械可动部分,电极不妨碍流体的流动,不受流体粘度的影响,受流速分布的影响也较小,具有很宽的测量范围(0.005~190,000 m3/h)和较高的测量精度(可达0.5%)。

  14. 8.2 霍尔传感器及应用 霍尔传感器是目前国内外应用最为广泛的一种磁敏传感器,它利用磁场作为媒介,可以检测很多的物理量,如微位移、加速度、转速、流量、角度等,也可用于制作高斯计、电流表、功率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等。它可以实现非接触测量,而且在很多情况下,可采用永久磁铁来产生磁场,不需附加能源。因此,这种传感器广泛应用于自动控制、电磁检测等各个领域中。 霍尔传感器有霍尔元件和霍尔集成电路两种类型。目前,霍尔传感器已从分立型结构发展到集成电路阶段。霍尔集成电路是把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上的集成电路型结构。与前者相比,霍尔集成电路更具有微型化、可靠性高、寿命长、功耗低以及负载能力强等优点,正越来越受到人们的重视,应用日益广泛。

  15. 图8-10 霍尔效应原理图 8.2.1霍尔元件的工作原理 1.霍尔效应 在置于磁场中的导体或半导体里通入电流,若电流与磁场垂直,则在与电流与磁场都垂直的方向上会出现一个电势差,这种现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。 如图8-10所示。在一块长为L、宽度为W厚度为d的长方形半导体上,两垂直侧面各装上电极。如果在长度方向(x轴)通入控制电流,,在厚度方向(Z轴)施加磁感应强度为B的磁场时,那么在垂直于电流和磁场的方向上(Y轴)将会产生一电动势,这一电动势称为霍尔电势。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势VH可由下式表示: VH=KH·I·B (8-10)

  16. 2.霍尔元件的结构及性能 霍尔元件是一种四端型器件,目前,国内外生产的霍尔元件采用的材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(1nSb)、砷化铟(1nAs)和砷化镓(GaAs)等。比较常用的霍尔元件有三种结构:单端引出线型、卧式型和双端引出线型。 锗霍尔元件是较早研制的一种霍尔器件,它的霍尔系数较大,在输入控制电流较小的情况下,可得到较大的霍尔电压VH。硅霍尔元件也是一种常用的分立型元件,它的温度系数比锗霍尔元件要小一些。锑化铟霍尔元件的输出较大,但受温度的影响也较大。砷化镓霍尔元件的温度特性比锑化铟霍尔元件好,其霍尔电压对磁场的线性度和测量精度也比锑化铟霍尔元件好,但是价格较贵。 表8-1给出了有代表性的霍尔元件的主要参数。

  17. (a) 电路符号 (b)测量电路 图8-11 霍尔器件的电路符号和测量电路 8.2.2 霍尔传感器的测量电路 霍尔元件的电路符号和测量电路如图8-11所示。控制电流由电源E供给,R用来改变控制电流的大小,RL为输出霍尔电势VH的负载电阻,通常它是显示仪表或放大器的输入阻抗。

  18. (a)外形结构 (b)测量电路 图8-12 线性霍尔集成电路 8.2.3霍尔集成电路 1.线性型霍尔集成电路 线性型霍尔集成电路通常由霍尔元件,差分放大、射极跟随输出及稳压电路四部分组成。其特点是输出电压与外加磁感应强度B呈线性关系,它有单端输出和双端输出(差动输出)两种形式。外形结构有三端T型和八脚双列直插型,其电路框图和外形结构如图8-12所示。

  19. (a)外形结构 (b)内部电路 图8-13 开关型霍尔集成电路 2.开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。这种集成电路一般由霍尔元件、稳压电路、差分放大器、施密特触发器以及OC门(集电极开路输出门)电路等部分组成。 开关型霍尔集成电路的开关形式有单稳态和双稳态两种,在输出上有单端输出和双端输出。常用的型号有UGN-3020系列和CS系列,外形结构有三端T型和四端T型(双端输出),图8-13为UGN-3020系列开关型霍尔集成电路外形与内部电路框图。

  20. 图8-14 柴油机防飞车保护装置电路 8.2.4霍尔传感器的应用电路 1.柴油机防飞车保护装置 图8-14所示是柴油机防飞车保护装置电路。该装置主体由检测传感部分和计数控制部分组成。检测部分由磁铁和霍尔传感器组成。磁铁用环氧树脂粘合而固定在柴油机的飞轮一侧上。其随着飞轮的运转,霍尔传感器产生一个个计数脉冲信号。霍尔传感器采用SC-3019(仿美史普拉格公司UG-3019),是一种开关型霍尔集成传感器。计数控制部分主要由频率/电压变换器件、控制继电器电磁阀组成。

  21. 频率/电压变换器件采用美国国家半导体公司生产的F/V变换器LM2917。LM2917将频率信号转换为与之呈线性对应的电压信号,并经运放和输出放大级后输出。当信号频率高于一定值时,输出放大级输出电流使继电器KA吸合,并通过二级管VD将LM2917的3脚电位钳定,从而实现了超速锁定的目的。这时即使信号频率下降,控制继电器KA仍将处于吸合状态,直到断开电源为止。频率/电压变换器件采用美国国家半导体公司生产的F/V变换器LM2917。LM2917将频率信号转换为与之呈线性对应的电压信号,并经运放和输出放大级后输出。当信号频率高于一定值时,输出放大级输出电流使继电器KA吸合,并通过二级管VD将LM2917的3脚电位钳定,从而实现了超速锁定的目的。这时即使信号频率下降,控制继电器KA仍将处于吸合状态,直到断开电源为止。 继电器KA选用JQX一4F (6V)直流继电器。电磁阀YV选用额定工作电压为直流12V常开气液电磁阀,通径大小只要与柴油机供油输出管相当即可,它安装在柴油机的供油输出管和油泵间。当继电器J吸合后,电磁阀YV也吸合,截断柴油机的供油油路,从而迫使柴油机停车。 具体的精调可利用一标准信号源将所要锁定的频率信号加入LM2917的输入端,调整R2使控制继电器KA刚刚能吸合为止。

  22. 图8-15 卫生间自动照明电路 2.卫生间自动照明电路 图8-15所示是卫生间自动照明电路。当打开门,人进卫生间再关上门时,磁钢G离开霍尔集成传感器HG(CS-3020),HG输出高电平脉冲,触发单稳电路A1,A1的1脚输出高电平信号,此高电平信号又触发A2,A2的13脚输出高电平,经VT放大驱动VS双向晶闸管导通,EL灯亮,同时LED发光。经任意长时间,拉门出来再关上门时,磁钢G再次离开HG,HG输出一正脉冲,使A1又一次输出高电平,A2再次发生翻转,脚13变为低电平,VT和VS均截止,EL和LED熄灭。

  23. 图8-16 自动供水装置结构示意图 3.投牌自动供水装置 SL3020在自动供水装置上也有应用。自动供水装置的结构如图8-16所示。锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭,电磁阀的打开与关闭则受控制电路的控制。当用水者打水时, 需将铁制的取水牌从投放口投入,取水牌沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行,当滑行到霍尔开关传感器部位时,传感器输出信号,经控制电路驱动电磁阀打开,水从水龙头流出。经延时一定时间后,控制电路使电磁阀关闭,又恢复到停止供水状态。 自动供水装置的控制电路如图8-17。它主要由磁传感装置、单稳态电路、固态继电器、电源电路及电磁阀等组成。

  24. 平时,SL3020受磁铁的作用,其输出端输出低电平,使VT1处于截止状态,由IC2组成的单稳态电路处于复位状态,IC2的③脚输出低电平,固态继电器SP1110由于无控制电流而处于截止状态,电磁阀Y因无电而关闭,水龙头无水流出。单稳态在复位状态时,IC2内部电路将C2短路。平时,SL3020受磁铁的作用,其输出端输出低电平,使VT1处于截止状态,由IC2组成的单稳态电路处于复位状态,IC2的③脚输出低电平,固态继电器SP1110由于无控制电流而处于截止状态,电磁阀Y因无电而关闭,水龙头无水流出。单稳态在复位状态时,IC2内部电路将C2短路。 当取水者投入铁制的取水牌时,取水牌沿滑槽下滑,在通过霍尔传感装置时,铁制取水牌将磁铁的磁力线短路,此时SL3020输出高电平脉冲。该脉冲经VT1反相后触发由IC2组成的单稳态电路翻转进入暂稳状态,此时IC2的③脚输出高电平,使固态继电器SP1110导通,电磁阀Y得电工作,打开阀门放水。单稳态电路翻转后,IC2内部电路将C2原短路状态释放,电源通过RP1及R4向C2充电。当C2上的电压充电到IC2的阈值电压时,单稳态电路复位,IC2的③脚又回到低电平,固态继电器SP1110截止,电磁阀Y断电关闭,水龙头自动停止出水,电路又恢复到平时状态。

  25. 图8-17 自动供水装置的控制电路

  26. 8.3 磁栅式传感器 用于精密测量行程(直线位移、角位移)的传感器有三种:感应同步器(第三章3.4节);光栅传感器(第七章7.5节);磁栅传感器(本节)。 磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁信号,它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号(正弦波或矩形波)用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时,磁头相对于磁栅有一定的相对位置,在这个过程中,磁头把磁栅上的磁信号读出来,这样就把被测位置或位移转换成电信号。

  27. 图8-18 磁栅结构 1.磁栅基体; 2.磁性薄膜 8.3.1 磁栅与磁头 一.磁栅 磁栅结构如图8-18所示,磁栅基体1是用非导磁材料做成的,上面镀一层均匀的磁性薄膜2,经过录磁,其磁信号排列情况如图中所示,要求录磁信号幅度均匀,幅度变化应小于10%,节距均匀。目前长磁栅常用的磁信号节距一般为0.05 mm和0.02 mm两种,圆磁栅的角节距一般为几角分至几十角分。 磁栅基体1要有良好的加工性能和电镀性能,其线膨胀系数应与被测件接近,基体也常用钢制作,然后用镀铜的方法解决隔磁问题。 磁性薄膜2的剩余磁感应强度Br要大、矫顽力Hc要高、性能稳定、电镀均匀。目前常用的磁性薄膜材料为镍钴磷合金。

  28. 2.磁栅的类型 磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类,前者用于测量直线位移,后者用于测量角位移。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。一般常用尺型磁栅,其外形如图8-19(a)所示。它是在一根非导磁材料(例如铜或玻璃)制成的尺基上镀一层Ni—Co—P或Ni—Co磁性薄膜,然后录制而成。磁头一般用片簧机构固定在磁头架上,工作中磁头架沿磁尺的基准面运动,磁头不与磁尺接触。尺型磁栅主要用于精度要求较高的场合。 同轴型磁栅是在Φ2mm的青铜棒上电镀一层磁性薄膜,然后录制而成。磁头套在磁棒上工作,如图8-19(b)所示,两者之间具有微小的间隙。由于磁棒的工作区被磁头围住,对周围的磁场起了很好的屏蔽作用,增强了它的抗干扰能力。这种磁栅传感器结构特别小巧,可用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。

  29. 图8-19 磁栅结构 a)尺型; b)同轴型; c)带型 当量程较大或安装面不好安排时,可采用带型磁栅,如图8-19(c)所示。带状磁尺1是在一条宽约20 mm、厚约0.2 mm的铜带上镀一层磁性薄膜,然后录制而成的。图中2为软垫(常用泡沫塑料),3为防尘与屏蔽罩,4为上压板,5为拉紧块。带状磁尺的录磁与工作均在张紧状态下进行。

  30. 图8-21 动态磁头结构与读出信号 (a)动态磁头结构; (b)读出的信号 二.磁头 磁栅上的磁信号由读取磁头读出,按读取信号方式的不同,磁头可分为动态磁头与静态磁头两种。 1.动态磁头 动态磁为非调制式磁头,又称速度响应式磁头,它只有一组线圈。图8-21(a)所示为动态磁头的实例,其铁芯由每片厚度为0.2 mm的铁镍合金(含镍80%)片叠成。 当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时,由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电动势。当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时,输出感应电动势的大小也不同,静止时,就没有信号输出。因此它不适合用于长度测量。

  31. 图8-22 静态磁头的读出原理 2.静态磁头 静态磁头是调制式磁头,又称磁通响应式磁头。它与动态磁头的根本不同之处在于,在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。 (1)读出原理。 图8-22所示为静态磁头对磁栅信号的读出原理。静态磁头有两个绕组,励磁绕组W1产生磁通Φ1,输出绕组W2读取磁栅上的信号磁通Φ0。磁栅漏磁通Φ0的一部分Φ2通过磁头铁芯,另一部分Φ3通过气隙,则 一般情况下,可以认为Rσ不变,则RT与励磁线圈所产生的励磁磁通Φ1有关。铁芯P、Q两段的截面很小,在励磁电压u变化的一个周期内,铁芯被励磁电流所产生的磁通Φ1饱和两次,RT变化两个周期。

  32. 在磁栅不动的情况下,Φ0为一常量,输出绕组中产生的感应电动势e0为在磁栅不动的情况下,Φ0为一常量,输出绕组中产生的感应电动势e0为 e0=N2(dΦ2/dt)=2N2Φ0a2ωcos 2ωt=kΦ0cos 2ωt (8-13) 式中,N2为输出绕组匝数;k为常数,k=2N2a2ω。 漏磁通Φ0是磁栅位置的周期函数。当磁栅与磁头相对移动一个节距W时,Φ0就变化一个周期。因此Φ0可近似为 Φ0=Φmsin(2π x/W) 于是可得 e0=kΦmsin(2π x/W)cos2ωt (8-14) 式中,x为磁栅与磁头之间的相对位移;Φm为漏磁通的峰值。 由此可见,静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通变化来产生感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电压频率的两倍,其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦(或余弦)关系。

  33. 8.3.2信号处理方式 动态磁头利用磁栅与磁头之间以一定的速度相对移动,来读取磁栅上的信号,将此信号进行处理后使用。例如某些动态丝杠检查仪,就是利用动态磁头读取磁尺上的磁信号,作为长度基准,去同圆光栅盘(或磁盘)上读取的圆基准信号进行相应比较,以检测丝杠的精度。 静态磁头一般总是成对使用,即用两个间距为(n±l/4)W的磁头,其中n为正整数,W为磁信号节距,也就是两个磁头布置成空间相差90°。其信号处理方式分为鉴幅与鉴相两种。

  34. 1. 鉴幅方式 因为两个磁头激励信号的相位差为π/4,输出绕组的信号频率是激励信号频率的2倍,所以两个磁头输出信号的相位差为π/2。这样,两个磁头的输出表达式为 式中,Um为磁头读出信号的幅值;x为磁头与磁栅之间的相对位移;ω为励磁电压的角频率。经检波器去掉高频载波后可得 此两路相位差为90°两相信号送至有关电路进行辨向细分后,可测得位移量。

  35. 2.鉴相方式 把某一磁头的励磁电流移相45 °(或把其读出信号移相90°),则两磁头的输出分别为 将两路信号相减后得到的输出电压为 由式(8-18)可见,输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化的信号,可用鉴相电路将相对位置检测出来。

  36. 8.3.3 磁栅传感器的应用 1.磁栅式传感器的应用 磁栅式传感器广泛应用于冶金、机械、石化、运输、水利等行业。由磁栅式传感器所构成的通用位移传感器、液位计、闸门开度仪、油缸行程检测仪等在恶劣工业环境中广泛运用,其无接触位移测量方式适用于极宽的量程范围,能与多类自动控制系统接口。 静磁栅绝对编码器借用“游标卡尺差分刻度测微”原理,依靠霍尔线阵列群动效应解析数字化绝对位移编码,准确可靠。由磁钢组成的磁栅编码阵列和霍尔开关元件组成的霍尔编码阵列协调工作。磁栅编码阵列和霍尔编码阵列形成该传感器的两个必不可少的单元,其中磁栅编码阵列单元称为“静磁栅源”,霍尔编码阵列单元称为“静磁栅尺”,当“静磁栅源”保持一定间隙沿“静磁栅尺”轴线表面移动时,由“静磁栅尺”实时解析出毫米级示值误差的位移量数字信号。该机理类似“游标卡尺”,游标卡尺1 mm的刻度可以辨别出0.02 mm,其分辨率提高了50倍。

  37. 2.磁栅传感器的使用注意——特点与误差分析2.磁栅传感器的使用注意——特点与误差分析 磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似,其精度略低于感应同步器。除此之外,它还具有下列特点。 (1) 录制方便,成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录。 (2) 使用方便,可在仪器或机床上安装后再录制磁栅,因而可避免安装误差。 (3) 可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准量中含有π因子,可在节距中考虑。 磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两项。 影响零位误差的主要因素有:①磁栅的节距误差;②磁栅的安装与变形误差;③磁栅剩磁变化所引起的零位漂移;④外界电磁场干扰等。 影响细分误差的主要因素有:①由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等;②两个磁头间距偏离1/4节距较远;③两个磁头参数不对称引起的误差;④磁场高次谐波分量和感应电动势高次谐波分量的影响。

  38. 磁栅式角度传感器

  39. 船闸处2根磁栅传感器(抗油污染)

  40. 8.4 磁敏传感器 利用某些元件对磁敏感的特性,可以测量如转速、流量、角位移、长度、重量等许多物理量。利用某些材料对磁的记忆特性还可以检测磁性图形、信用卡、磁卡等,目前,这种技术广泛应用于信息记录系统当中。20世纪60年代西门子公司研制了第一个磁敏元件,1968年索尼公司研制成磁敏二极管。目前磁敏元件已获得广泛地应用,常见的磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管。因为磁敏二极管和磁敏三极管的应用电路目前还比较少,所以本节以磁敏电阻为教学内容 8.4.1磁敏电阻 当外加磁场增加时,电阻的阻值也随之增加的现象叫磁阻效应,利用这种效应制成的元件称为磁敏电阻。金属和半导体材料都有磁阻效应,由于半导体材料的磁阻效应更显著,故目前生产的磁敏电阻都是用半导体材料制成的。

  41. 1 3 NEC R1 R2 2 等效电路 外形 内部电路 图8-25 MR214A/223A磁敏电阻等效电路及外形 1 3 Ra Rb 2 H 等效电路 内部电路 外形 图8-26 DM106B磁敏电阻等效电路及外形 1.MR214N223A(日本电气)R2R1213NEC内部电路等效电路 MR214A/223A的外形及等效电路如图8-25所示。它是由强磁性薄膜组成,工作在磁性饱和区,用于汽车、测量仪器上,可检测转数、角度、位置等参数。 2.DM106B(索尼)RbRa213内部电路等效电路 DM106B是在硅基板上附着强磁性材料,其外形及等效电路如图8-26所示。当Vcc=5V时,输出可达80mV,功耗11mW。

  42. 图8-27 MR-L系列磁敏电阻内部电路 3.青岛泰润电子科技有限公司的产品 采用先进的薄膜生产及平面光刻工艺生产锑化铟薄膜磁敏电阻。其产品性能见表8-2,内部电路见图8-27.

  43. 磁敏电阻传感器 直线小位移传感器 倾斜角传感器 三维倾斜角传感器 磁敏编码器 三相输出磁敏旋转传感器

  44. 图8-28 TZD系列振动位移传感器 8.4.2磁敏电阻的应用 1.振动位移传感器 传感器紧固在被测的振动体上,当振动体在传感器敏感的测量方向上振动时,传感器内部的振动磁钢相应的强制振动,安装在振动磁钢旁边的磁敏元件能够感应磁钢振动引起的磁场变化,并产生一交变电压信号,此信号经电路处理放大后,输出与被测振动参数(频率和幅度大小)相对应的交变电压信号。 有2种型号:螺纹连接式振动传感器TZDM22-50;法兰连接式振动传感器TZD23-26。如图8-28所示。

  45. 图8-29 测速原理 图8-30 TMS系列产品的外形 2.微型高频速度传感器(差分磁敏电阻传感器) 该产品用于测量移动速度,也可以用于测量转速,其工作原理是在薄膜磁敏电阻的背面加偏置磁场或聚磁纯铁,当被检测铁磁性物体或磁钢经过其检测区域时, MR1 和 MR2 处的磁场先后增大从而导致 MR1 和 MR2的阻值先后增大。如在①、③两端加电压 Vcc, 则②端输出一正弦波。如图8-29所示。 TMS系列产品的外形如图8-30