無(wú)源振動(dòng)傳感器：一體式無(wú)線無(wú)源振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)
摘要：
現(xiàn)階段無(wú)線傳感器的供電主要依靠的依然是一次電池或可充電電池,無(wú)論哪種電池,其壽命都是有限且短暫的,大量的更換及廢棄勢(shì)必會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的污染.由此提出一種基于振動(dòng)能量采集的自供電傳感器,基于電磁感應(yīng)對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行采集利用;低功耗單片機(jī)利用所收集的能量對(duì)發(fā)電單元所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行采集,作為振動(dòng)傳感信號(hào).實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該無(wú)源傳感器可在2 Hz~200 Hz的振動(dòng)環(huán)境下穩(wěn)定的工作,所采集的信號(hào)同樣與實(shí)際振動(dòng)環(huán)境一致.
展開(kāi)
無(wú)源振動(dòng)傳感器：一體式無(wú)線無(wú)源振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)_1
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無(wú)源振動(dòng)傳感器：一種無(wú)線無(wú)源聲表面波振動(dòng)傳感器
摘要：
本實(shí)用新型提供一種無(wú)線無(wú)源聲表面波振動(dòng)傳感器,包括天線,匹配電路,壓電懸臂梁,由半導(dǎo)體工藝沉淀于壓電懸臂梁上的反射型延遲線結(jié)構(gòu)的SAW器件,位于懸臂梁自由端末端的質(zhì)量振子和懸臂梁固定基座.叉指換能器與兩個(gè)反射器構(gòu)成SAW器件.制作于壓電懸臂梁自由端的質(zhì)量振子的上下對(duì)應(yīng)封裝管座封裝管帽處各設(shè)置緩沖材料與.當(dāng)傳感器受到振動(dòng)時(shí),壓電懸臂梁自由端的質(zhì)量振子由于受到振動(dòng)加速度的作用引起壓電懸臂梁沿施力方向產(chǎn)生一個(gè)位移,產(chǎn)生彎曲變形,壓電懸臂梁表面應(yīng)變的變化導(dǎo)致反射型延遲線SAW器件中SAW傳播速度的變化,由此導(dǎo)致反射型延遲線SAW器件的延時(shí)和相位發(fā)生相應(yīng)的改變,通過(guò)解耦傳感信息即可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)量的感知.
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無(wú)源振動(dòng)傳感器：磁電式傳感器
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磁電式傳感器
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磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出。它直接將被測(cè)物體的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，工作不需要外加電源，是一種典型的無(wú)源傳感器。由于這種傳感器輸出功率較大，因而大大地簡(jiǎn)化了配用的二次儀表電路。
[1]
磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定；
中文名
磁電式傳感器
別 名
電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器
類(lèi) 別
傳感器
工作頻帶
10～1000Hz
特 性
雙向轉(zhuǎn)換
原 理
電磁感應(yīng)
目錄
1
原理結(jié)構(gòu)
2
工作原理
3
測(cè)量電路
4
設(shè)計(jì)原則
5
分類(lèi)
?
霍爾式
?
應(yīng)用
6
傳遞矩陣
7
磁電應(yīng)用
磁電式傳感器原理結(jié)構(gòu)
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語(yǔ)音
利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測(cè)量線速度或角速度的磁電式傳感器。圖1所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動(dòng)速度測(cè)量的變磁通式結(jié)構(gòu)。變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型（變磁））； (b)平移型（變氣隙）其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動(dòng)鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動(dòng)使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。
圖1 變磁式結(jié)構(gòu)
磁電式傳感器工作原理
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語(yǔ)音
根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 當(dāng)w匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí), 設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為Φ, 則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系: E=-w(dΦ/dt)
磁電式傳感器測(cè)量電路
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語(yǔ)音
磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì), 且傳感器通常具有較高的靈敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器, 若要獲取被測(cè)位移或加速度信號(hào), 則需要配用積分或微分電路。
磁電式傳感器設(shè)計(jì)原則
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語(yǔ)音
磁電感應(yīng)式傳感器有兩個(gè)基本元件組成:一個(gè)是產(chǎn)生恒定直流磁場(chǎng)的磁路系統(tǒng)，為了減小傳 感器體積，一般采用永久磁鐵;另一個(gè)是線圈，由它與磁場(chǎng)中的磁通交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)與磁通變化率或者線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，因此必須使它們之間有一個(gè)相對(duì)運(yùn) 動(dòng)。作為運(yùn)動(dòng)部件，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。所以，必須合理地選擇它們的結(jié)構(gòu)形式、 材料和結(jié)構(gòu)尺寸.以滿足傳感器的基本性能要求。對(duì)于慣性式傳感器，具體計(jì)算時(shí)，一般是先根據(jù)使用場(chǎng)合、使用對(duì)象確定結(jié)構(gòu)形式和體積大 小（即輪廓尺寸），然后根據(jù)結(jié)構(gòu)大小初步確定磁路系統(tǒng)，計(jì)算磁路以便決定磁感應(yīng)強(qiáng)度B。這樣，由技術(shù)指標(biāo)給定的靈敏度S值以及確定的B值，由S=e/v=BιN即可求得線圈的匝數(shù)N。因?yàn)?在確定磁路系統(tǒng)時(shí)，氣隙的尺寸已經(jīng)確定了，線圈的尺寸也已確定，亦即 ι已經(jīng)確定。根據(jù)這些 參數(shù)，便可初步確定線圈導(dǎo)線的直徑d。從提高靈敏度的角度來(lái)看，B值大，S值也大，因此磁路 結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)大些。只要結(jié)構(gòu)尺寸允許，磁鐵可盡量大些，并選擇B值大的永磁材料，匝數(shù)N也可 取得大些。當(dāng)然具體計(jì)算時(shí)導(dǎo)線的增加也是受其他條件制約的，各參數(shù)的選擇要統(tǒng)一考慮，盡量從優(yōu)。
磁電式傳感器分類(lèi)
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語(yǔ)音
一般分為兩種：（1）磁電感應(yīng)式（2）霍爾式
磁電式傳感器霍爾式
霍爾效應(yīng)置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體），當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（霍爾電勢(shì)），原因是電荷受到洛倫茲力的作用。定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用，當(dāng)fl=fE時(shí)，達(dá)到平衡，此時(shí)基本結(jié)構(gòu)
霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2：
圖2
基本特性（1）額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10度時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流以元件最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流（2）輸入電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻電壓源內(nèi)阻（3）不等位電勢(shì)和不等位電阻當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，此時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。不等位電勢(shì)就是激勵(lì)電流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓。（4）寄生直流電勢(shì)（5）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)誤差補(bǔ)償（1）零點(diǎn)誤差：不等位電勢(shì)：①電極引出時(shí)偏斜，②半導(dǎo)體的電阻特性（等勢(shì)面傾斜）造成。③激勵(lì)電極接觸不良。寄生直流電勢(shì)：由于霍耳元件是半導(dǎo)體，外接金屬導(dǎo)線時(shí)，易引起PN節(jié)效應(yīng)，當(dāng)電流為交流電時(shí)，整個(gè)霍耳元件形成整流效應(yīng)，PN節(jié)壓降構(gòu)成寄生直流電勢(shì)，帶來(lái)輸出誤差。補(bǔ)償方法制作工藝上保證電極對(duì)稱、歐姆接觸電路補(bǔ)償
[2]
（2）霍爾元件的溫度補(bǔ)償誤差原因：溫度變化時(shí)，KH,Ri（輸入電阻）變化補(bǔ)償辦法1.對(duì)溫度引起的I進(jìn)行補(bǔ)償。采用恒流源供電。但只能減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵(lì)電流的變化的影響。2.對(duì)KHI乘積項(xiàng)同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。采用恒流源與輸入回路并聯(lián)電阻。如圖3所示：
圖3
磁電式傳感器應(yīng)用
（1）霍爾式位移傳感器工作原理圖：如圖4所示
圖4
(2)幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)：如圖5所示:
圖5
(3)霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作示意圖及電路圖：如圖6所示：
[2]
圖6
磁電式傳感器傳遞矩陣
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語(yǔ)音
一.傳遞矩陣一.機(jī)械阻抗圖(a)所示的質(zhì)量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數(shù)為c的單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動(dòng)速度和位移分別為v和x，由此可列出力平衡方程機(jī)械阻抗圖(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯(lián)電路，設(shè)電源電壓為u，回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程這兩個(gè)微分方程式雖然機(jī)電內(nèi)容不同，但形式相同。因此，這兩個(gè)系統(tǒng)為一對(duì)相似系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)求解它的微分方程來(lái)討論其動(dòng)態(tài)特性，故上述兩相似系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性必然一致，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電模擬。一對(duì)相似系統(tǒng)(a)單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)；(b)RLC串聯(lián)電路在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)參數(shù)，可以設(shè)想，如同電路中的電阻抗一樣，假設(shè)機(jī)械系統(tǒng)存在“機(jī)械阻抗”ZM。類(lèi)似于電系統(tǒng)，由第一個(gè)式子可得可見(jiàn)ZM是將機(jī)械系統(tǒng) 中某一點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)響 應(yīng)與引起這個(gè)運(yùn)動(dòng)的力聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)參數(shù)。由此可得，作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的線性機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械阻抗的定義為機(jī)械阻抗ZM(復(fù)數(shù))=激振力(復(fù)數(shù))/運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(復(fù)數(shù))引用機(jī)械阻抗概念來(lái)分析機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就可以用簡(jiǎn)單的代數(shù)方法求得描述動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)，而不必求解微分方程。
磁電式傳感器磁電應(yīng)用
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語(yǔ)音
測(cè)振傳感器磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。常用地測(cè)振傳感器有動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器、圈式振動(dòng)速度傳感器等。(一).測(cè)振傳感器的應(yīng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車(chē)輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測(cè)振傳感器的工作特性振動(dòng)傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性(絕對(duì))式測(cè)振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。這樣，在較高振動(dòng)頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對(duì)大地靜止。這時(shí)，振動(dòng)體(同傳感器殼體)相對(duì)質(zhì)量塊的位移y(輸出)就可真實(shí)地反映振動(dòng)體相對(duì)大地的振幅x(輸入)。磁電式力發(fā)生器與激振器前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量。在慣性儀器——陀螺儀與加速度計(jì)中廣泛應(yīng)用的動(dòng)圈式或動(dòng)鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中是非常重要的設(shè)備，用以獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如共振頻率、剛度、阻尼、振動(dòng)部件的振型等。除上述應(yīng)用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測(cè)量。
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參考資料
1.
李開(kāi)宇．傳感器原理：科學(xué)出版社，2007年
2.
陳杰．傳感器與檢測(cè)技術(shù)：高等教育出版社，2002.8：80
