生物医学传感-磁电式.ppt
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1、11:08:04,1,4-4 磁电式传感器,11:08:04,2,上次课内容回顾,压阻式传感器的工作原理 压阻效应、晶面晶向的表示(密勒指数、方向余弦)压阻系数、阻值变化的计算 纵、横向压阻系数的计算 任意方向电阻条电阻变化的计算 测量电桥、温度漂移及其补偿,11:08:04,3,电磁传感器是最古老的传感器,指南针是磁传感器的最早的一种应用。但是作为现代的传感器,为了便于信号处理,需要磁传感器能将磁信号转化成为电信号输出。应用最早的是根据电磁感应原理制造的磁电式的传感器。,11:08:04,4,磁电式传感器是利用电磁感应原理,将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源,就能把被
2、测对象的机械能转换成易于测量的电信号,是一种有源传感器。磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器,它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率,故配用电路较简单;零位及性能稳定;工作频带一般为101000Hz。,磁电式传感器,11:08:04,5,一、工作原理,磁电式传感器的工作原理是以法拉第电磁感应定律为基础的,即当线圈在磁场中运动时、线圈两端感应的电势正比于穿过线圈的磁通变化率,其方向与磁通变化相反即对于一个匝数为W的线圈,当穿过诊线圈的磁通发生变化时,其感生电动势e为,11:08:04,6,线圈感生电动势的大小,取决于匝数W和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的
3、运动速度有关,如果改变其中任何一个因素,都会改变线圈的感生电动势。此即磁电式传感器所依据的工作原理。,根据磁场中线圈的运动方式不同,其感应电势的表示式也有所不同。,11:08:04,7,式中 B磁场的磁感应强度;l单匝线圈有效长度;W有效线圈匝数,指在均匀磁场内参与切割磁力线的 线圈匝数;v线圈与磁场的相对运动速度;线圈运动方向与磁场方向的夹角。,1.线圈在磁场中作直线运动,永久磁铁产生一个恒定磁场,置于磁场中的线圈作直线运动,这时线圈所产生的感应电势为,11:08:04,8,当=90时,线圈运动方向与磁场垂直时。上式可写为,此式说明:当W,B,l 均为常数时,感生电动势的大小与线圈运动的线速
4、度成正比。这就是一般常见的绝对式磁电速度计的工作原理。,11:08:04,9,令,则,S即为传感器的灵敏度,11:08:04,10,2.线圈在磁场中作旋转运动,线圈在永久磁铁产生的恒定磁场中作旋转运动,这时线圈所产生的感应电势为,式中 A单匝线圈的截面积;角频率;,11:08:04,11,当线圈运动方向与磁场方向垂直,=90o,则线圈中的感应电势为,k依赖于结构的系数,k1;,从上可知,当传感器结构己定时,参数B、A、W、k均为常数,因此,感应电势e与线圈对磁场的相对运动速度v或 成正比,这就是动圈式磁电传感器的工作原理。,11:08:04,12,二、结构类型,11:08:04,13,恒磁通式
5、:磁路系统恒定磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式:线圈、磁铁静止不动,转动物体引起磁阻、磁通变化。,11:08:04,14,1.恒定磁通磁电式传感器的结构原理,动圈式结构类型磁电感应式传感器,恒磁通式,11:08:04,15,在传感器中当结构参数确定后,B、l、W、S均为定值,感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比,所以这类传感器的基本形式是速度传感器,能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路,那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知,磁电感应式传感器只适用于动态测量。,11:08:04,16,动铁式结构类型磁电感应式传感器,v,永久
6、磁铁的磁力线从其一端穿过套筒、线圈骨架和螺管线圈,并经过壳体回到磁钢的另一端,构成一个闭合磁路,当传感器受振时,线圈与永久磁铁之间产生相对运动,线圈切割磁力线,使传感器输出正比于振动速度的电压信号。,11:08:04,17,2.变磁通磁电感应式传感器的结构原理,变磁通式又称(变)磁阻式或变气隙式,常用来测量旋转物体的角速度。,开磁路变磁通式传感器,11:08:04,18,工作原理:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随被测体一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次,线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单,但
7、输出信号较小,且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,11:08:04,19,开磁路动铁式变磁通式传感器,图中椭圆形铁心进行旋转运动,使空气气隙时而变大,时而变小,从而使磁路系统的磁阻产生周期性的变化(则使磁通变化),这时固定在磁极上的线圈中产生的感应电势为,11:08:04,20,式中,A为线圈截面积,B=BmaxBmin,Bmax为最大磁通密度,而Bmin为最小磁通密度。同理,当传感器已定后,W、B、A均为常数。线圈中感应电势正比于铁心运动的角速度(2 为变化频率)。,11:08:04,21,闭磁路变磁通式传感器,它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成,内外齿轮
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