生物医学传感磁电式.pptx

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,2025/3/22 周六,2,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,2025/3/22 周六,3,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,2025/3/22 周六,4,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,2025/3/22 周六,5,一、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,2025/3/22 周六,6,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,2025/3/22 周六,7,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,2025/3/22 周六,8,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,2025/3/22 周六,9,令,则,S,即为传感器灵敏度,生物医学传感磁电式,第9页,2025/3/22 周六,10,2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,2025/3/22 周六,11,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,2025/3/22 周六,12,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,2025/3/22 周六,13,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,2025/3/22 周六,14,1.,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,2025/3/22 周六,15,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,2025/3/22 周六,16,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,2025/3/22 周六,17,2.,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,2025/3/22 周六,18,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,2025/3/22 周六,19,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,2025/3/22 周六,20,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,2025/3/22 周六,21,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,2025/3/22 周六,22,三、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,2025/3/22 周六,23,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,2025/3/22 周六,24,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,2025/3/22 周六,25,1.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,2025/3/22 周六,26,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,2025/3/22 周六,27,2.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,2025/3/22 周六,28,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,2025/3/22 周六,29,四、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,2025/3/22 周六,30,五、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,2025/3/22 周六,31,五、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,2025/3/22 周六,32,六、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,2025/3/22 周六,33,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,2025/3/22 周六,34,生物医学传感磁电式,第34页,2025/3/22 周六,35,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，测量该感应电动势，,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。由此得到血流平均速度乘以血管截面积，即得到血流量。,生物医学传感磁电式,第35页,2025/3/22 周六,36,生物医学传感磁电式,第36页,2025/3/22 周六,37,当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出感应电压,u,1,、,u,2,存在相位差，相差与扭距扭转角成正比，传感器能够将扭距引发扭转角转换成,相位差,电信号。,转轴,测量电路,磁电传感器,1,磁电传感器,2,齿型转盘,u,1,u,2,2,、磁电式扭距传感器,u,t,生物医学传感磁电式,第37页,2025/3/22 周六,38,3.动圈式传声器,生物医学传感磁电式,第38页,2025/3/22 周六,39,二,.,磁电式力发生器与激振器,前已指出磁电式传感器含有双向转换特征，其逆向功效一样能够利用。假如给速度传感器线圈输入电量，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动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器逆向应用。它在机械结构动态试验中是非常主要设备，用以获取机械结构动态参数，如共振频率、刚度、阻尼、振动部件振型等。,生物医学传感磁电式,第39页,