生物医学传感-磁电式教学课件

上次课内容回顾上次课内容回顾 压阻式传感器的工作原理压阻式传感器的工作原理u 压阻效应、晶面晶向的表示压阻效应、晶面晶向的表示(密勒指数、方密勒指数、方向余弦向余弦)压阻系数、阻值变化的计算压阻系数、阻值变化的计算u 纵、横向压阻系数的计算纵、横向压阻系数的计算u 任意方向电阻条电阻变化的计算任意方向电阻条电阻变化的计算 测量电桥、温度漂移及其补偿测量电桥、温度漂移及其补偿2024/7/81 电磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传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，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，需要磁传感器能将为了便于信号处理，需要磁传感器能将磁信号转磁信号转化成为电信号输出化成为电信号输出。应用最早的是根据电磁感应。应用最早的是根据电磁感应原理制造的原理制造的磁电式的传感器磁电式的传感器。2024/7/82 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运运动速度动速度变换成变换成感应电势感应电势输出的传感器。它不需要辅输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种的电信号，是一种有源传感器有源传感器。磁电式传感器有时也称作磁电式传感器有时也称作电动式电动式或或感应式感应式传感传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出器，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；工作功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为频带一般为10101000Hz1000Hz。磁电式传感器磁电式传感器机机械械能能电电量量磁电式传感器磁电式传感器2024/7/83一、一、工作原理工作原理 磁电式传感器的工作原理是以磁电式传感器的工作原理是以法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律为为基础的，即当线圈在磁场中运动时、线圈两端感应的电势基础的，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即对于一个匝数为W的线圈，当穿过诊线圈的磁通的线圈，当穿过诊线圈的磁通发生变发生变化时，其感生电动势化时，其感生电动势e为为2024/7/84v 线圈感生电动势的大小，取决于线圈感生电动势的大小，取决于匝数匝数W W和穿过线圈和穿过线圈的的磁通变化率磁通变化率。磁通变化率与。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度线圈的运动速度有关，如果改变其中任何一个因素，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。据的工作原理。v根据磁场中线圈的运动方式不同，其感应电势的表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。示式也有所不同。2024/7/85式中式中 B B磁场的磁感应强度；磁场的磁感应强度；ll单匝线圈有效长度；单匝线圈有效长度；W W有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的有效线圈匝数，指在均匀磁场内参与切割磁力线的 线圈匝数；线圈匝数；v v线圈与磁场的相对运动速度；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。线圈运动方向与磁场方向的夹角。1.1.线圈在磁场中作直线运动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线圈作直线运动，这时线圈所产生的感应电势为势为2024/7/86当当=9090时，线圈运动方向与磁场垂直时。上时，线圈运动方向与磁场垂直时。上式可写为式可写为 此式说明：当此式说明：当W，B，l 均为常数时，感生均为常数时，感生电动势的大小与线圈运动的线速度成正比。这电动势的大小与线圈运动的线速度成正比。这就是一般常见的绝对式磁电速度计的工作原理。就是一般常见的绝对式磁电速度计的工作原理。2024/7/87令令则则S即为传感器的灵敏度即为传感器的灵敏度2024/7/882.2.线圈在磁场中作旋转运动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，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这时线圈所产生的感应电势为式中式中 A单匝线圈的截面积；单匝线圈的截面积；角频率；角频率；2024/7/89当线圈运动方向与磁场方向垂直，当线圈运动方向与磁场方向垂直，=90=90o o，则线则线圈中的感应电势为圈中的感应电势为k依赖于结构的系数，依赖于结构的系数，k1；从上可知，当传感器结构己定时，参数从上可知，当传感器结构己定时，参数B、A、W、k均为常数，因此，感应电势均为常数，因此，感应电势e与线圈对磁场的相与线圈对磁场的相对运动速度对运动速度v或或成正比，这就是成正比，这就是动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器的工作原理。的工作原理。2024/7/810磁磁电电式式恒磁恒磁通式通式变磁阻式变磁阻式变磁变磁通通动圈式动圈式动磁式动磁式N线速线速度型度型角速角速度型度型二、结构类型二、结构类型2024/7/811恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件可恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。体引起磁阻、磁通变化。2024/7/8121.恒定磁通磁电式传感器的结构原理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动圈式结构类型磁电感应式传感器 恒磁通式恒磁通式2024/7/813在传感器中当结构参数确定后，在传感器中当结构参数确定后，B、l、W、S均均为定值，感应电动势为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度(v或或)成正比，所以这类传感器的基本形式是成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感速度传感器器，能直接测量，能直接测量线速度线速度或或角速度角速度。如果在其测量电路。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感器只适用于动态测量动态测量。2024/7/814动铁式结构类型磁电感应式传感器动铁式结构类型磁电感应式传感器 v 永久磁铁的磁力线从其永久磁铁的磁力线从其一端穿过套筒、线圈骨架和一端穿过套筒、线圈骨架和螺管线圈，并经过壳体回到螺管线圈，并经过壳体回到磁钢的另一端，构成一个闭磁钢的另一端，构成一个闭合磁路，合磁路，当传感器受振时，当传感器受振时，线圈与永久磁铁之间产生相线圈与永久磁铁之间产生相对运动，线圈切割磁力线，对运动，线圈切割磁力线，使传感器输出正比于振动速使传感器输出正比于振动速度的电压信号。度的电压信号。2024/7/8152.变磁通磁电感应式传感器的结构原理变磁通磁电感应式传感器的结构原理变磁通式又称变磁通式又称(变变)磁阻式或变气隙式，常用来测量旋磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。转物体的角速度。开磁路开磁路变磁通变磁通式传感器式传感器2024/7/816 工作原理工作原理：线圈、磁铁静止不动，：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在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，被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较。这种传感器结构简单，但输出信号较小，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。场合。2024/7/817开磁路开磁路动铁式动铁式变磁通式传感器变磁通式传感器极掌极掌永久磁铁永久磁铁线圈线圈铁心铁心 图中椭圆形铁心进行旋转运动，使图中椭圆形铁心进行旋转运动，使空气气隙时而空气气隙时而变大，时而变小变大，时而变小，从而使磁路系统的磁阻产生周期性，从而使磁路系统的磁阻产生周期性的变化（则使的变化（则使磁通变化磁通变化），这时固定在磁极上的线圈），这时固定在磁极上的线圈中产生的感应电势为中产生的感应电势为 2024/7/818 式中，式中，A A为线圈截面积，为线圈截面积，B=BB=BmaxmaxB Bminmin，B Bmaxmax为最为最大磁通密度，而大磁通密度，而B Bminmin为最小磁通密度。为最小磁通密度。同理，当传感器已定后，同理，当传感器已定后，W W、B B、A A均为常数。线均为常数。线圈中圈中感应电势正比于铁心运动的角速度感应电势正比于铁心运动的角速度（2 2 为变化为变化频率）。频率）。2024/7/819闭磁路闭磁路变磁通式传感器变磁通式传感器 它由装在转轴上的它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈圈组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，组成，内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对，内、外齿轮的相对转动使转动使气隙磁阻产生周期性变化气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的，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。变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。显然，显然，感应电势的频率与被测转速成正比感应电势的频率与被测转速成正比。2024/7/820三、三、磁电式传感器基本特性磁电式传感器基本特性当测量电路接入磁电传当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所示，感器电路时，如图所示，磁电传感器的输出电流磁电传感器的输出电流Io为为磁电式传感器测量电路磁电式传感器测量电路式中：式中：Rf测量电路输入电阻；测量电路输入电阻；R 线圈等效电阻。线圈等效电阻。2024/7/821传感器的电流灵敏度为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传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 2024/7/822当当传传感感器器的的工工作作温温度度发发生生变变化化或或受受到到外外界界磁磁场场干干扰扰、受受到到机机械械振振动动或或冲冲击击时时，其其灵灵敏敏度度将将发发生生变变化化，从而产生测量误差。从而产生测量误差。相对误差为相对误差为 2024/7/8231.非线性误差非线性误差产生非线性误差的主要原因是：产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电由于传感器线圈内有电流流I I流过时，将产生一定的流过时，将产生一定的交变磁通交变磁通I I，此交变磁通此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化隙磁通变化,如图所示。如图所示。当传感器线圈相对于永久当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势将产生较大的感应电势e e和较和较大的电流大的电流I I，由此而产生的由此而产生的附附加磁场方向与原工作磁场方向加磁场方向与原工作磁场方向相反相反，减弱了工作磁场的作用，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的从而使得传感器的灵敏度随着灵敏度随着被测速度的增大而降低被测速度的增大而降低。当线圈的运动速度与图所当线圈的运动速度与图所示方向相反时，感应电势示方向相反时，感应电势e、线圈感应电流反向，所产生线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场的附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器的同向，从而增大了传感器的灵敏度。灵敏度。结果是线圈运动速度方结果是线圈运动速度方向不同时，传感器的灵敏度向不同时，传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器具有不同的数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能输出基波能量降低，谐波能量增加量增加,即这种非线性特性即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐同时伴随着传感器输出的谐波失真。波失真。传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高，线线圈圈中中电电流流越越大大，这这种种非非线性越严重。线性越严重。2024/7/824补偿线圈补偿线圈为补偿附加磁场干扰，可在传感器中加入补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偿线圈。补偿线圈通以经放大K倍的电流。适当倍的电流。适当选择补偿线圈参数，可使其产生选择补偿线圈参数，可使其产生交变磁通与传交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通相互抵消感线圈本身所产生的交变磁通相互抵消，从而，从而达到补偿的目的。达到补偿的目的。2024/7/825 2.温度误差温度误差当当温温度度变变化化时时，上上式式中中右右边边三三项项都都不不为为零零，对对铜铜线线而而言言每每摄摄氏氏度度变变化化量量为为dl/l0.16710-4,dR/R0.4310-2，dB/B每每摄摄氏氏度度的的变变化化量量决决定定于于永永久久磁磁铁铁的的磁磁性性材材料料。对对铝铝镍镍钴钴永永久磁合金久磁合金，dB/B-0.0210-2，这样由上式可得近似值如下：这样由上式可得近似值如下：相对误差相对误差2024/7/826 这这一一数数值值是是很很可可观观的的，所所以以需需要要进进行行温温度度补补偿偿。补补偿偿通常采用通常采用热磁分流器热磁分流器。热热磁磁分分流流器器由由具具有有很很大大负负温温度度系系数数的的特特殊殊磁磁性性材材料料做做成。成。它它在在正正常常工工作作温温度度下下已已将将空空气气隙隙磁磁通通分分路路掉掉一一小小部部分分。当当温温度度升升高高时时，热热磁磁分分流流器器的的磁磁导导率率显显著著下下降降，经经它它分分流流掉掉的的磁磁通通占占总总磁磁通通的的比比例例较较正正常常工工作作温温度度下下显显著著降降低低，从从而而保保持持空空气气隙隙的的工工作作磁磁通通不不随随温温度度变变化化，维维持持传传感感器器灵灵敏敏度为常数。度为常数。温度补偿温度补偿2024/7/827四、四、磁电式传感器的测量电路磁电式传感器的测量电路n 信号输出测量电路信号输出测量电路 直接输出电动势测量速度；直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量加速度。2024/7/828五、五、磁电感应式传感器的特点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磁电传感器是目前振动测量中常用的一种测速测速传感器传感器。1、主要优点：、主要优点：输出功率大，性能稳定、输出阻抗低以及输出功率大，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。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。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其次，由于传感器的输出信号是正比于被测量的电压信号，测量的电压信号，有利于直接放大指标有利于直接放大指标，如，如果要求指示出振动幅值和加速度，只要在放果要求指示出振动幅值和加速度，只要在放大器中大器中附加适当的积分或微分电路附加适当的积分或微分电路就能方便就能方便地得到。地得到。v 磁磁电电式式振振动动传传感感器器是是惯惯性性式式传传感感器器，不不需需要静止的基准参考要静止的基准参考，可直接装在被测体上。，可直接装在被测体上。v 传传感感器器是是发发电电型型传传感感器器，工工作作时时可可不不加加电电压压，直接将机械能转化为电能输出。直接将机械能转化为电能输出。2024/7/829五、五、磁电感应式传感器的特点磁电感应式传感器的特点2、主要缺点：、主要缺点：传感器中存在有容易磨损的部件、随着使用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的传感器的检修周期可长达30005000h.但一但一般的传感器只有几百个小时。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，普通的另外，磁电传感器的工作温度不高，普通的传感器只能在传感器只能在120以下，即使采取了一些以下，即使采取了一些特殊措施的磁电传感器，它的最高工作温度特殊措施的磁电传感器，它的最高工作温度也只有也只有425。这就限制了这类传感器在高温。这就限制了这类传感器在高温环境中的应用。环境中的应用。磁电传感器的高频响应也不够好，在体积和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。重量方面也还比较笨重。2024/7/830六、六、磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用 一一.测振传感器测振传感器 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动铁型振动传感器传感器、动圈型振动圈型振动速度动速度传感器传感器等。应用：应用：航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、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。层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。2024/7/831动铁式动铁式动圈式动圈式1 1、测速度、转速、位移及振动、测速度、转速、位移及振动2024/7/8322024/7/833 是一种是一种基于电磁感应定律的定量测量血流的仪器基于电磁感应定律的定量测量血流的仪器。一般是在。一般是在血管暴露的情况下从血管外壁进行测量。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，测量该感应电动势，血流和磁场方向都垂直的感应电动势，测量该感应电动势，E=BDv，式中，式中B为磁感应密度，为磁感应密度，D为电极间距离，为电极间距离，v为血管截面上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。到血流量。2024/7/8342024/7/835 当当扭扭距距作作用用在在转转轴轴上上时时，两两个个磁磁电电传传感感器器输输出出的的感感应应电电压压u u1 1、u u2 2存存在在相相位位差差，相相差差与与扭扭距距的的扭扭转转角角成成正正比比，传传感感器器可可以以将将扭扭距距引引起起的的扭扭转转角角转转换换成成相相位位差差的电信号。的电信号。转轴测量电路测量电路磁电传感器磁电传感器1 1磁电传感器磁电传感器2 2齿型转盘齿型转盘u u1 1u u2 2 2 2、磁电式扭距传感器、磁电式扭距传感器 u u t2024/7/8363.3.动圈式传声器动圈式传声器2024/7/837 二二.磁电式力发生器与激振器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。2024/7/838 查阅资料简要叙述查阅资料简要叙述霍尔传感器的工作原霍尔传感器的工作原理、基本结构及在生物医学中的应用。理、基本结构及在生物医学中的应用。作作 业业2024/7/839