无源振动传感器：一体式无线无源振动传感器设计

摘要：

现阶段无线传感器的供电主要依靠的依然是一次电池或可充电电池,无论哪种电池,其寿命都是有限且短暂的,大量的更换及废弃势必会对生态环境造成极大的污染.由此提出一种基于振动能量采集的自供电传感器,基于电磁感应对振动能量进行采集利用;低功耗单片机利用所收集的能量对发电单元所产生的信号进行采集,作为振动传感信号.实验结果证明,该无源传感器可在2 Hz~200 Hz的振动环境下稳定的工作,所采集的信号同样与实际振动环境一致.

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无源振动传感器：一体式无线无源振动传感器设计_1

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无源振动传感器：一种无线无源声表面波振动传感器

摘要：

本实用新型提供一种无线无源声表面波振动传感器,包括天线,匹配电路,压电悬臂梁,由半导体工艺沉淀于压电悬臂梁上的反射型延迟线结构的SAW器件,位于悬臂梁自由端末端的质量振子和悬臂梁固定基座.叉指换能器与两个反射器构成SAW器件.制作于压电悬臂梁自由端的质量振子的上下对应封装管座封装管帽处各设置缓冲材料与.当传感器受到振动时,压电悬臂梁自由端的质量振子由于受到振动加速度的作用引起压电悬臂梁沿施力方向产生一个位移,产生弯曲变形,压电悬臂梁表面应变的变化导致反射型延迟线SAW器件中SAW传播速度的变化,由此导致反射型延迟线SAW器件的延时和相位发生相应的改变,通过解耦传感信息即可实现对振动量的感知.

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无源振动传感器：磁电式传感器

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磁电式传感器
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磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入的运动速度转换成线圈中的感应电势输出。它直接将被测物体的机械能量转换成电信号输出，工作不需要外加电源，是一种典型的无源传感器。由于这种传感器输出功率较大，因而大大地简化了配用的二次仪表电路。
[1]
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；
中文名
磁电式传感器
别    名
电动式或感应式传感器
类    别
传感器
工作频带
10～1000Hz
特    性
双向转换
原    理
电磁感应
目录
1
原理结构
2
工作原理
3
测量电路
4
设计原则
5
分类
?
霍尔式
?
应用
6
传递矩阵
7
磁电应用
磁电式传感器原理结构
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利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。变磁通式结构(a)旋转型（变磁））； (b)平移型（变气隙）其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4均固定，动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式结构。
图1 变磁式结构
磁电式传感器工作原理
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根据电磁感应定律, 当w匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为Φ, 则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系: E=-w(dΦ/dt)
磁电式传感器测量电路
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磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。
磁电式传感器设计原则
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磁电感应式传感器有两个基本元件组成:一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传 感器体积，一般采用永久磁铁;另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。感应 电动势与磁通变化率或者线圈与磁场相对运动速度成正比，因此必须使它们之间有一个相对运 动。作为运动部件，可以是线圈，也可以是永久磁铁。所以，必须合理地选择它们的结构形式、 材料和结构尺寸.以满足传感器的基本性能要求。对于惯性式传感器，具体计算时，一般是先根据使用场合、使用对象确定结构形式和体积大 小（即轮廓尺寸），然后根据结构大小初步确定磁路系统，计算磁路以便决定磁感应强度B。这样，由技术指标给定的灵敏度S值以及确定的B值，由S=e/v=BιN即可求得线圈的匝数N。因为 在确定磁路系统时，气隙的尺寸已经确定了，线圈的尺寸也已确定，亦即 ι已经确定。根据这些 参数，便可初步确定线圈导线的直径d。从提高灵敏度的角度来看，B值大，S值也大，因此磁路 结构尺寸应大些。只要结构尺寸允许，磁铁可尽量大些，并选择B值大的永磁材料，匝数N也可 取得大些。当然具体计算时导线的增加也是受其他条件制约的，各参数的选择要统一考虑，尽量从优。
磁电式传感器分类
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一般分为两种：（1）磁电感应式（2）霍尔式
磁电式传感器霍尔式
霍尔效应置于磁场中的导体（或半导体），当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向会产生电动势（霍尔电势），原因是电荷受到洛伦兹力的作用。定向运动的电子除受到洛仑兹力外，还受到霍尔电场的作用，当fl=fE时，达到平衡，此时基本结构
霍尔元件的基本结构图如图2：
图2
基本特性（1）额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流（2）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻电压源内阻（3）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，此时测得的空载霍尔电势。不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。（4）寄生直流电势（5）霍尔电势温度系数误差补偿（1）零点误差：不等位电势：①电极引出时偏斜，②半导体的电阻特性（等势面倾斜）造成。③激励电极接触不良。寄生直流电势：由于霍耳元件是半导体，外接金属导线时，易引起PN节效应，当电流为交流电时，整个霍耳元件形成整流效应，PN节压降构成寄生直流电势，带来输出误差。补偿方法制作工艺上保证电极对称、欧姆接触电路补偿
[2]
（2）霍尔元件的温度补偿误差原因：温度变化时，KH,Ri（输入电阻）变化补偿办法1.对温度引起的I进行补偿。采用恒流源供电。但只能减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流的变化的影响。2.对KHI乘积项同时进行补偿。采用恒流源与输入回路并联电阻。如图3所示：
图3
磁电式传感器应用
（1）霍尔式位移传感器工作原理图：如图4所示
图4
(2)几种霍尔式转速传感器的结构：如图5所示:
图5
(3)霍尔计数装置的工作示意图及电路图：如图6所示：
[2]
图6
磁电式传感器传递矩阵
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一.传递矩阵一.机械阻抗图(a)所示的质量为m、弹簧刚度为k，阻尼系数为c的单自由度机械振动系统。设在力F作用下产生的振动速度和位移分别为v和x，由此可列出力平衡方程机械阻抗图(b)所示的由电阻R、电感L和电容C组成的串联电路，设电源电压为u，回路电流为i、电荷为q。由此可列出电压平衡方程这两个微分方程式虽然机电内容不同，但形式相同。因此，这两个系统为一对相似系统。一个系统可以根据求解它的微分方程来讨论其动态特性，故上述两相似系统的动态特性必然一致，可以实现机电模拟。一对相似系统(a)单自由度机械振动系统；(b)RLC串联电路在电路中存在着电阻抗，它是将电流与电压联系起来的一个参数，可以设想，如同电路中的电阻抗一样，假设机械系统存在“机械阻抗”ZM。类似于电系统，由第一个式子可得可见ZM是将机械系统 中某一点上的运动响 应与引起这个运动的力联系起来的一个参数。由此可得，作简谐运动的线性机械系统的机械阻抗的定义为机械阻抗ZM(复数)=激振力(复数)/运动响应(复数)引用机械阻抗概念来分析机械系统的动态特性，就可以用简单的代数方法求得描述动态特性的传递函数，而不必求解微分方程。
磁电式传感器磁电应用
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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式振动传感器、圈式振动速度传感器等。(一).测振传感器的应用航空发动机、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。(二).测振传感器的工作特性振动传感器是典型的集中参数m、k、c二阶系统。作为惯性(绝对)式测振传感器，要求选择较大的质量块m和较小的弹簧常数k。这样，在较高振动频率下，由于质量块大惯性而近似相对大地静止。这时，振动体(同传感器壳体)相对质量块的位移y(输出)就可真实地反映振动体相对大地的振幅x(输入)。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。除上述应用外，磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。
词条图册
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参考资料
1.

李开宇．传感器原理：科学出版社，2007年
2.

陈杰．传感器与检测技术：高等教育出版社，2002.8：80