生物医学传感磁电式

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2022/1/8,#,生物医学传感磁电式,生物医学传感磁电式,第1页,2024/11/15,2,上次课内容回顾,压阻式传感器工作原理,压阻效应、晶面晶向表示,(,密勒指数、方向余弦,),压阻系数、阻值改变计算,纵、横向压阻系数计算,任意方向电阻条电阻改变计算,测量电桥、温度漂移及其赔偿,生物医学传感磁电式,第2页,2024/11/15,3,电磁传感器是最古老传感器，指南针是磁传感器最早一个应用。不过作为当代传感器，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,。应用最早是依据电磁感应原理制造,磁电式传感器,。,生物医学传感磁电式,第3页,2024/11/15,4,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,输出传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象机械能转换成易于测量电信号，是一个,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。因为它有较大输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带普通为,10,1000Hz,。,磁电式传感器,机械能,电 量,磁电式传感器,生物医学传感磁电式,第4页,2024/11/15,5,一、工作原理,磁电式传感器工作原理是以,法拉第电磁感应定律,为基础，即当线圈在磁场中运动时、线圈两端感应电势正比于穿过线圈磁通改变率，其方向与磁通改变相反即对于一个匝数为,W,线圈，当穿过诊线圈磁通,发生改变时，其感生电动势,e,为,生物医学传感磁电式,第5页,2024/11/15,6,线圈感生电动势大小，取决于,匝数,W,和穿过线圈,磁通改变率,。磁通改变率与,磁场强度、磁路磁阻、线圈运动速度,相关，假如改变其中任何一个原因，都会改变线圈感生电动势。此即磁电式传感器所依据工作原理。,依据磁场中线圈运动方式不一样，其感应电势表示式也有所不一样。,生物医学传感磁电式,第6页,2024/11/15,7,式中,B,磁场磁感应强度；,l,单匝线圈有效长度；,W,有效线圈匝数，指在均匀磁场内参加切割磁力线,线圈匝数；,v,线圈与磁场相对运动速度；,线圈运动方向与磁场方向夹角。,1.线圈在磁场中作直线运动,永久磁铁产生一个恒定磁场，置于磁场中线圈作直线运动，这时线圈所产生感应电势为,生物医学传感磁电式,第7页,2024/11/15,8,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，感生电动势大小与线圈运动线速度成正比。这就是普通常见绝对式磁电速度计工作原理。,生物医学传感磁电式,第8页,2024/11/15,9,令,则,S,即为传感器灵敏度,生物医学传感磁电式,第9页,2024/11/15,10,2.线圈在磁场中作旋转运动,线圈在永久磁铁产生恒定磁场中作旋转运动，这时线圈所产生感应电势为,式中,A,单匝线圈截面积；,角频率；,生物医学传感磁电式,第10页,2024/11/15,11,当线圈运动方向与磁场方向垂直，,=90,o,，,则线圈中感应电势为,k,依赖于结构系数，,k,1；,从上可知，当传感器结构己定时，参数,B,、,A,、,W,、,k,均为常数，所以，感应电势,e,与线圈对磁场相对运动速度,v,或,成正比，这就是,动圈式磁电传感器,工作原理。,生物医学传感磁电式,第11页,2024/11/15,12,磁电式,恒磁通式,变磁阻式变磁,通,动圈式,动磁式,N,线速度型,角速度型,二、结构类型,生物医学传感磁电式,第12页,2024/11/15,13,恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件能够是线圈也能够是磁铁。,变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引发磁阻、磁通改变。,生物医学传感磁电式,第13页,2024/11/15,14,1.,恒定磁通磁电式传感器结构原理,动圈式结构类型磁电感应式传感器,恒磁通式,生物医学传感磁电式,第14页,2024/11/15,15,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,与线圈相对磁场运动速度(,v,或,),成正比，所以这类传感器基础形式是,速度传感器,，能直接测量,线速度,或,角速度,。假如在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还能够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合用于,动态测量,。,生物医学传感磁电式,第15页,2024/11/15,16,动铁式结构类型磁电感应式传感器,v,永久磁铁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另一端，组成一个闭合磁路，,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电压信号。,生物医学传感磁电式,第16页,2024/11/15,17,2.,变磁通磁电感应式传感器结构原理,变磁通式又称(变)磁阻式或变气隙式，常见来测量旋转物体角速度。,开磁路,变磁通,式传感器,生物医学传感磁电式,第17页,2024/11/15,18,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，,齿凹凸引发磁路磁阻改变一次，磁通也就改变一次,，,线圈中产生感应电势，其改变频率等于被测转速与测量齿轮上齿数乘积,。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场所。,生物医学传感磁电式,第18页,2024/11/15,19,开磁路,动铁式,变磁通式传感器,极掌,永久磁铁,线圈,铁心,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,，从而使磁路系统磁阻产生周期性改变（则使,磁通改变,），这时固定在磁极上线圈中产生感应电势为,生物医学传感磁电式,第19页,2024/11/15,20,式中，,A,为线圈截面积，,B=B,max,B,min,，,B,max,为最大磁通密度，而,B,min,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角速度,（2,为改变频率）。,生物医学传感磁电式,第20页,2024/11/15,21,闭磁路,变磁通式传感器,它由装在转轴上,内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈,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，,内齿轮随被测轴而转动,，内、外齿轮相对转动使,气隙磁阻产生周期性改变,，从而引发磁路中磁通改变，使线圈内产生周期性改变感应电动势。显然，,感应电势频率与被测转速成正比,。,生物医学传感磁电式,第21页,2024/11/15,22,三、磁电式传感器基础特征,当测量电路接入磁电传感器电路时，如图所表示，磁电传感器输出电流,I,o,为,磁电式传感器测量电路,式中：,R,f,测量电路输入电阻；,R,线圈等效电阻。,生物医学传感磁电式,第22页,2024/11/15,23,传感器电流灵敏度为,传感器输出电压和电压灵敏度分别为,生物医学传感磁电式,第23页,2024/11/15,24,当传感器工作温度发生改变或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生改变，从而产生测量误差。,相对误差为,生物医学传感磁电式,第24页,2024/11/15,25,1.非线性误差,产生非线性误差主要原因是：,因为传感器线圈内有电流,I,流过时，将产生一定交变磁通,I,，,此交变磁通叠加在永久磁铁所产生工作磁通上，使恒定气隙磁通改变,如图所表示。,当传感器线圈相对于永久磁铁磁场运动速度增大时，将产生较大感应电势,e,和较大电流,I,，,由此而产生,附加磁场方向与原工作磁场方向相反,，减弱了工作磁场作用，从而使得传感器,灵敏度伴随被测速度增大而降低,。,当线圈运动速度与图所表示方向相反时，感应电势,e,、,线圈感应电流反向，所产生附加磁场方向与工作磁场同向，从而增大了传感器灵敏度。,结果是线圈运动速度方向不一样时，传感器灵敏度含有不一样数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加,即这种非线性特征同时伴伴随传感器输出谐波失真。,传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性越严重。,生物医学传感磁电式,第25页,2024/11/15,26,赔偿线圈,为赔偿附加磁场干扰，可在传感器中加入赔偿线圈。赔偿线圈通以经放大,K,倍电流。适当选择赔偿线圈参数，可使其产生,交变磁通与传感线圈本身所产生交变磁通相互抵消,，从而到达赔偿目标。,生物医学传感磁电式,第26页,2024/11/15,27,2.温度误差,当温度改变时，上式中右边三项都不为零，对,铜线,而言每摄氏度改变量为,dl/l,0.16710,-4,d,R,/,R,0.4310,-2,，,d,B,/,B,每摄氏度改变量决定于永久磁铁磁性材料。对,铝镍钴永久磁合金,，,d,B,/,B,-0.0210,-2,，,这么由上式可得近似值以下：,相对误差,生物医学传感磁电式,第27页,2024/11/15,28,这一数值是很可观，所以需要进行温度赔偿。赔偿通常采取,热磁分流器,。,热磁分流器由含有,很大负温度系数,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个别。当温度升高时，热磁分流器磁导率显著下降，经它分流掉磁通占总磁通百分比较正常工作温度下显著降低，,从而保持空气隙工作磁通不随温度改变,，维持传感器灵敏度为常数。,温度赔偿,生物医学传感磁电式,第28页,2024/11/15,29,四、磁电式传感器测量电路,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。,生物医学传感磁电式,第29页,2024/11/15,30,五、磁电感应式传感器特点,磁电传感器是当前振动测量中常见一个,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百分比关系。其中，因为输出阻抗低降低了对绝缘和后续测量仪器要求，使连接电缆噪声干扰也所以大为减小，这是它突出优点。,其次，因为传感器输出信号是正比于被测量电压信号，,有利于直接放大指标,，假如要求指示出振动幅值和加速度，只要在放大器中,附加适当积分或微分电路,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。,生物医学传感磁电式,第30页,2024/11/15,31,五、磁电感应式传感器特点,2,、主要缺点：,传感器中存在有轻易磨损部件、伴随使用时间增加，其性能将发生改变，需要定时检修检修后又要重新标定，即使质量很好传感器检修周期可长达30005000,h.,但普通传感器只有几百个小时。,另外，磁电传感器工作温度不高，普通传感器只能在120 以下，即使采取了一些特殊办法磁电传感器，它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应用。,磁电传感器高频响应也不够好，在体积和重量方面也还比较粗笨。,生物医学传感磁电式,第31页,2024/11/15,32,六、磁电式传感器应用,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取得了广泛应用。,常见地测振传感器有,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。,生物医学传感磁电式,第32页,2024/11/15,33,动铁式,动圈式,1、测速度、转速、位移及振动,生物医学传感磁电式,第33页,2024/11/15,34,生物医学传感磁电式,第34页,2024/11/15,35,是一个,基于电磁感应定律定量测量血流仪器,。普通是在血管暴露情况下从血管外壁进行测量。将磁场垂直加于血流体上，因为血流导电，在流体中产生与血流和磁场方向都垂直感应电动势，测