磁电式传感器地发展与应用.doc

磁电式传感器的应用与开展摘要：磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应，或磁阻效应等电磁现象，把被测物理量的变化转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等参数测量。按电磁转换机理的不同，磁电式传感器可分为磁电感应式传感器，霍尔式传感器，和磁阻效应传感器等，广泛用于建筑，工业等领域中振动，速度，加速度，转速，转角，磁场参数等的测量。1关键词： 磁电式传感器；应用；开展正文：1 根本原理根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。恒定磁通式磁电感应式传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。1.1 恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生。这类结构有动圈式和动铁式两种，如下列图。磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt成正比的感应电动势E，其大小为式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应强度；l为每匝线圈平均长度。1.2 变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。 如下列图开磁路变磁通式转速传感器。测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从而使磁通发生变化，因而在线圈3中感应出交变的电势，其频率等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积，即式中：Z为齿轮齿数；n为被测轴转速(v/min)；f为感应电动势频率(Hz)。这样当Z，测得f就知道n了。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150+90的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100kHz。2 磁电式传感器的应用2.1 磁电式速度传感器2.1.1 理论依据机组振动的大小可用振动参量如位移、速度和加速度等不同量值表征，目前测量机组轴承振动瓦振常用磁电式速度传感器。磁电式速度传感器是利用磁感应电动势将机械振动转换成电信号输出的换能装置，即在传感器线性X围内其电压输出与机组振动速度成正比，适用于测量汽轮发电机组轴承盖上的轴瓦或机壳振动。机械振动根据振动的规律可以分为周期振动和非周期振动两大类。周期振动有一种特殊形式为简谐振动，各参量之间有固定的数学关系，其运动规律为： D=Asin2ft+ 1式中： D 为位移量； A 为振动位移； f 为振动频率； t 为时间； 为初始相位角。在正弦振动条件下， 其振动速度换算公式为： V=A=2fA 2式中： V 为振动速度。振动传感器的灵敏度是传感器输出电量与输入振动机械量之比。为确认振动监测系统是否正常运行，应对传感器的灵敏度Sv进展定期检测：Sv=U/V 3式中： U 为振动传感器输出电压。速度传感器有两种型式，即相对式和惯性式，电力系统常选用惯性式磁电传感器， 其根本结构由弹簧支架、测量线圈、永久磁钢、外壳和输出引线端等局部构成， 图1 为结构示意图。2.1.2 工作原理传感器由永久磁钢产生恒定的直流磁场，软弹簧一端与测量线圈连接，另一端与外壳连接。传感器紧固在汽轮发电机组轴承盖上并随轴承座一起振动时，永久磁钢和外壳随被测物体同时上下振动，由于测量线圈有软弹簧支撑，保持相对静止不动，这样测量线圈切割磁力线产生感应电动势，该电动势与机组的振动速度成正比。2.1.3 工作特点传感器工作频率X围为51 000 Hz，在使用频率X围内能输出较强的电压信号， 且不易受电磁场和声场的干扰，测量电路较简单，传感器输出信号与电缆长度没有特定的要求。振动传感器按照信号输出方向可分为单向型重直或水平向和通用型重直或水平向均可使用两类，现场安装时应注意传感器的使用方向和系列号说明。2.1.4 传感器安装现场安装和检修维护中的不规X行为或对细节的无视， 都可能对振动监测系统的可靠运行产生影响。 1某电厂振动监测系统工作不正常，检查发现现场安装未注意传感器工作方向， 使传感器输出信号不正常。磁电式速度传感器安装时要注意其工作方向， 即安装角度。传感器工作方向有三种型式：垂直向0°±°、水平向90°±°和通用型0°±100°， 重直或水平均可使用。 2某电厂使用美国本特利公司生产的磁电式速度传感器， 损坏后购置新传感器时未注意产品系列号， 使新传感器接头连接方式与原设计不匹配， 影响在线振动监控系统正常工作。 3现场安装传感器时应保证其敏感轴与正弦激振方向垂直度偏差在±5°以内， 以减少测量误差。传感器安装时采用浮地方式， 输出引线插座即汽机现场侧应绝缘浮空, 电缆宜采用二芯屏蔽电缆， 屏蔽层在汽机现场侧应绝缘浮空， 电缆屏蔽层应直接延伸到机架， 并将屏蔽线直接接在机架的 或Shield 端。 以美国本特利公司测量主机轴承振动瓦振的9200 型传感器为例说明其检测方法。传感器安装后， 确认安装方向和接线正确，接线和连接头无松动。用检定合格的万用表测量传感器两端的输出电阻值， 应在620 左右。在机组正常工作且汽机监视仪表TSI系统处于正常工作状态时， 用万用表测量传感器两端输出交流电压， 同时记录TSI 系统适配该传感器卡件通道二次仪表显示的振幅指示值。该振动传感器的出厂灵敏度为19.7 mV/mm·s-1， 假设该通道显示的振幅峰峰值AP-P为100 m。根据公式2计算出机组的振动速度Vp应为15.71 mm/ s，代入公式3计算得出9200 型传感器输出电压有效值U 应为218.84 mV。传感器参考点灵敏度的偏差一般为±5， 频率响应灵敏度的偏差一般为±10，但有个别厂家提供的参考点灵敏度偏差为±10，需根据厂家说明书的要求判定检查。掌握磁电式速度传感器的工作原理和正确的检定、安装、使用方法， 是保证TSI 系统可靠运行的前提和与时正确判断机组振动异常原因的根底。为保证机组安全、稳定运行， 应对TSI 系统定期自查、按周期检定， 与时消除缺陷并建立考评制度。配置必要的易损备品备件，损坏时能与时更换，确保TSI 系统能正常工作。2.2 霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场与其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构结实，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz)，耐振动，不怕灰尘、油污、水汽与盐雾等的污染或腐蚀。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度X围宽，可达-55+150。2.2.1霍尔传感器的工作原理 霍尔效应半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度B为零时的情况ABCD 当有图示方向磁场B作用时作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，如此霍尔电势为同频率的交变电势。金属材料中的自由电子浓度n很高，因此RH很小，不宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有1um左右。1霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4 mm×2 mm× mm)，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件如此是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端引线如此采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 (a) 霍尔元件外形 (b)电路符号 (c) 根本应用电路2） 霍尔元件的主要特性参数(1) 灵敏度kH：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍尔电动势，单位为V/(A·T)。(2) 霍尔输入电阻Rin：霍尔控制电极间的电阻值。(3) 霍尔输出电阻Rout：霍尔输出电极间的电阻值。(4) 霍尔元件的电阻温度系数：表示在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1时电阻的相对变化率，单位为%/。(5) 霍尔寄生直流电势U0：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。(6) 霍尔最大允许激励电流Imax：以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。霍尔元件具有结构结实、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽与盐雾等的污染或腐蚀的优点，目前，霍尔传感器是全球使用量排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以与新兴消费电子领域中。霍尔传感器在汽车中的应用 霍尔转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件与磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。 只要黑色金属旋转体的外表存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔传感器由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。它利用霍尔效应原理，通过磁场、电流对被测量的控制，使包含有被测量变化信息的霍尔电压发生变化，在利用后继的信号检索和信号放大电路，就可以得到被测量的信息。直流电源电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精细的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。参考文献1.磁电式速度传感器的使用和运行分析 X敏某某省电力试验研究院， 某某3100142.马西秦 自动检测技术 机械工业 2008-93.磁电式速度传感器设计与应用 卢长根，周友佳某某南车时代传感技术技术管理部，某某某某3150214.霍尔传感器的应用浅析 X健 黄淮学院信息工程系, 某某 某某 463000