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

8、齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。,11:08:04,22,三、磁电式传感器基本特性,当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流Io为,磁电式传感器测量电路,式中：Rf测量电路输入电阻；R 线圈等效电阻。,11:08:04,23,传感器的电流灵敏度为,传感器的输出电压和电压灵敏度分别为,11:08:04,24,当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化

9、，从而产生测量误差。相对误差为,11:08:04,25,1.非线性误差,产生非线性误差的主要原因是：,由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通I，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化,如图所示。,当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势e和较大的电流I，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。,当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感应电势e、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的灵敏度。,结果是线圈运动速度方向不同时，

10、传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加,即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。,传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。,11:08:04,26,补偿线圈,为补偿附加磁场干扰，可在传感器中加入补偿线圈。补偿线圈通以经放大K倍的电流。适当选择补偿线圈参数，可使其产生交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通相互抵消，从而达到补偿的目的。,11:08:04,27,2.温度误差,当温度变化时，上式中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴

11、永久磁合金，dB/B-0.0210-2，这样由上式可得近似值如下：,相对误差,11:08:04,28,这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。,温度补偿,11:08:04,29,四、磁电式传感器的测量电路,信号输出测量电路 直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。,11:08:04,3

12、0,五、磁电感应式传感器的特点,磁电传感器是目前振动测量中常用的一种测速传感器。,1、主要优点：,输出功率大，性能稳定、输出阻抗低以及输出信号在工作范围内与被测量有比例关系。其中，由于输出阻抗低降低了对绝缘和后续测量仪器的要求，使连接电缆的噪声干扰也因此大为减小，这是它突出的优点。,其次，由于传感器的输出信号是正比于被测量的电压信号，有利于直接放大指标，如果要求指示出振动幅值和加速度，只要在放大器中附加适当的积分或微分电路就能方便地得到。,磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。,11:08:

13、04,31,五、磁电感应式传感器的特点,2、主要缺点：,传感器中存在有容易磨损的部件、随着使用时间的增加，其性能将发生变化，需要定期检修检修后又要重新标定，虽然质量较好的传感器的检修周期可长达30005000h.但一般的传感器只有几百个小时。,另外，磁电传感器的工作温度不高，普通的传感器只能在120 以下，即使采取了一些特殊措施的磁电传感器，它的最高工作温度也只有425。这就限制了这类传感器在高温环境中的应用。,磁电传感器的高频响应也不够好，在体积和重量方面也还比较笨重。,11:08:04,32,六、磁电式传感器的应用,一.测振传感器 磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的

14、基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。常用地测振传感器有动铁型振动传感器、动圈型振动速度传感器等。,应用：航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。,11:08:04,33,1、测速度、转速、位移及振动,11:08:04,34,11:08:04,35,是一种基于电磁感应定律的定量测量血流的仪器。一般是在血管暴露的情况下从血管外壁进行测量。将磁场垂直加于血流体上，由于血流导电，在流体中产生与血流和磁场方向都垂直的感应电动势，测量该

15、感应电动势，E=BDv，式中B为磁感应密度，D为电极间距离，v为血管截面上血流平均速度。由此得到的血流平均速度乘以血管截面积，即得到血流量。,11:08:04,36,11:08:04,37,当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。,2、磁电式扭距传感器,11:08:04,38,3.动圈式传声器,11:08:04,39,二.磁电式力发生器与激振器 前已指出磁电式传感器具有双向转换特性，其逆向功能同样可以利用。如果给速度传感器的线圈输入电量，那么其输出量即为机械量。在惯性仪器陀螺仪与加速度计中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向应用。它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备，用以获取机械结构的动态参数，如共振频率、刚度、阻尼、振动部件的振型等。,11:08:04,40,查阅资料简要叙述霍尔传感器的工作原理、基本结构及在生物医学中的应用。,作 业,