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無源振動傳感器：一體式無線無源振動傳感器設計

摘要：

現階段無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必會對生態環境造成極大的污染.由此提出一種基于振動能量采集的自供電傳感器,基于電磁感應對振動能量進行采集利用;低功耗單片機利用所收集的能量對發電單元所產生的信號進行采集,作為振動傳感信號.實驗結果證明,該無源傳感器可在2 Hz~200 Hz的振動環境下穩定的工作,所采集的信號同樣與實際振動環境一致.

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無源振動傳感器：一體式無線無源振動傳感器設計_1

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無源振動傳感器：一種無線無源聲表面波振動傳感器

摘要：

本實用新型提供一種無線無源聲表面波振動傳感器,包括天線,匹配電路,壓電懸臂梁,由半導體工藝沉淀于壓電懸臂梁上的反射型延遲線結構的SAW器件,位于懸臂梁自由端末端的質量振子和懸臂梁固定基座.叉指換能器與兩個反射器構成SAW器件.制作于壓電懸臂梁自由端的質量振子的上下對應封裝管座封裝管帽處各設置緩沖材料與.當傳感器受到振動時,壓電懸臂梁自由端的質量振子由于受到振動加速度的作用引起壓電懸臂梁沿施力方向產生一個位移,產生彎曲變形,壓電懸臂梁表面應變的變化導致反射型延遲線SAW器件中SAW傳播速度的變化,由此導致反射型延遲線SAW器件的延時和相位發生相應的改變,通過解耦傳感信息即可實現對振動量的感知.

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無源振動傳感器：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原理，將輸入的運動速度轉換成線圈中的感應電勢輸出。它直接將被測物體的機械能量轉換成電信號輸出，工作不需要外加電源，是一種典型的無源傳感器。由于這種傳感器輸出功率較大，因而大大地簡化了配用的二次儀表電路。
[1]
磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器， 它只適合進行動態測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩定；
中文名
磁電式傳感器
別    名
電動式或感應式傳感器
類    別
傳感器
工作頻帶
10～1000Hz
特    性
雙向轉換
原    理
電磁感應
目錄
1
原理結構
2
工作原理
3
測量電路
4
設計原則
5
分類
?
霍爾式
?
應用
6
傳遞矩陣
7
磁電應用
磁電式傳感器原理結構
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語音
利用其逆轉換效應可構成力(矩)發生器和電磁激振器等。根據這一原理，可以設計成變磁通式和恒磁通式兩種結構型式，構成測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角速度及振動速度測量的變磁通式結構。變磁通式結構(a)旋轉型（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，動鐵心3(銜鐵)的運動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產生感應電勢，因此又稱變磁阻式結構。
圖1 變磁式結構
磁電式傳感器工作原理
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根據電磁感應定律, 當w匝線圈在恒定磁場內運動時, 設穿過線圈的磁通為Φ, 則線圈內的感應電勢E與磁通變化率dΦ/dt有如下關系: E=-w(dΦ/dt)
磁電式傳感器測量電路
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磁電式傳感器直接輸出感應電勢, 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, 若要獲取被測位移或加速度信號, 則需要配用積分或微分電路。
磁電式傳感器設計原則
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語音
磁電感應式傳感器有兩個基本元件組成:一個是產生恒定直流磁場的磁路系統，為了減小傳 感器體積，一般采用永久磁鐵;另一個是線圈，由它與磁場中的磁通交鏈產生感應電動勢。感應 電動勢與磁通變化率或者線圈與磁場相對運動速度成正比，因此必須使它們之間有一個相對運 動。作為運動部件，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構形式、 材料和結構尺寸.以滿足傳感器的基本性能要求。對于慣性式傳感器，具體計算時，一般是先根據使用場合、使用對象確定結構形式和體積大 小（即輪廓尺寸），然后根據結構大小初步確定磁路系統，計算磁路以便決定磁感應強度B。這樣，由技術指標給定的靈敏度S值以及確定的B值，由S=e/v=BιN即可求得線圈的匝數N。因為 在確定磁路系統時，氣隙的尺寸已經確定了，線圈的尺寸也已確定，亦即 ι已經確定。根據這些 參數，便可初步確定線圈導線的直徑d。從提高靈敏度的角度來看，B值大，S值也大，因此磁路 結構尺寸應大些。只要結構尺寸允許，磁鐵可盡量大些，并選擇B值大的永磁材料，匝數N也可 取得大些。當然具體計算時導線的增加也是受其他條件制約的，各參數的選擇要統一考慮，盡量從優。
磁電式傳感器分類
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語音
一般分為兩種：（1）磁電感應式（2）霍爾式
磁電式傳感器霍爾式
霍爾效應置于磁場中的導體（或半導體），當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向會產生電動勢（霍爾電勢），原因是電荷受到洛倫茲力的作用。定向運動的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場的作用，當fl=fE時，達到平衡，此時基本結構
霍爾元件的基本結構圖如圖2：
圖2
基本特性（1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10度時所流過的激勵電流以元件最大溫升為限制所對應的激勵電流（2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻電壓源內阻（3）不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應強度為零，此時測得的空載霍爾電勢。不等位電勢就是激勵電流經不等位電阻所產生的電壓。（4）寄生直流電勢（5）霍爾電勢溫度系數誤差補償（1）零點誤差：不等位電勢：①電極引出時偏斜，②半導體的電阻特性（等勢面傾斜）造成。③激勵電極接觸不良。寄生直流電勢：由于霍耳元件是半導體，外接金屬導線時，易引起PN節效應，當電流為交流電時，整個霍耳元件形成整流效應，PN節壓降構成寄生直流電勢，帶來輸出誤差。補償方法制作工藝上保證電極對稱、歐姆接觸電路補償
[2]
（2）霍爾元件的溫度補償誤差原因：溫度變化時，KH,Ri（輸入電阻）變化補償辦法1.對溫度引起的I進行補償。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電流的變化的影響。2.對KHI乘積項同時進行補償。采用恒流源與輸入回路并聯電阻。如圖3所示：
圖3
磁電式傳感器應用
（1）霍爾式位移傳感器工作原理圖：如圖4所示
圖4
(2)幾種霍爾式轉速傳感器的結構：如圖5所示:
圖5
(3)霍爾計數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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語音
一.傳遞矩陣一.機械阻抗圖(a)所示的質量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數為c的單自由度機械振動系統。設在力F作用下產生的振動速度和位移分別為v和x，由此可列出力平衡方程機械阻抗圖(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯電路，設電源電壓為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微分方程式雖然機電內容不同，但形式相同。因此，這兩個系統為一對相似系統。一個系統可以根據求解它的微分方程來討論其動態特性，故上述兩相似系統的動態特性必然一致，可以實現機電模擬。一對相似系統(a)單自由度機械振動系統；(b)RLC串聯電路在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯系起來的一個參數，可以設想，如同電路中的電阻抗一樣，假設機械系統存在“機械阻抗”ZM。類似于電系統，由第一個式子可得可見ZM是將機械系統 中某一點上的運動響 應與引起這個運動的力聯系起來的一個參數。由此可得，作簡諧運動的線性機械系統的機械阻抗的定義為機械阻抗ZM(復數)=激振力(復數)/運動響應(復數)引用機械阻抗概念來分析機械系統的動態特性，就可以用簡單的代數方法求得描述動態特性的傳遞函數，而不必求解微分方程。
磁電式傳感器磁電應用
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語音
測振傳感器磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監視系統中獲得了廣泛的應用。常用地測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。(一).測振傳感器的應用航空發動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監測與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測振傳感器的工作特性振動傳感器是典型的集中參數m、k、c二階系統。作為慣性(絕對)式測振傳感器，要求選擇較大的質量塊m和較小的彈簧常數k。這樣，在較高振動頻率下，由于質量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體(同傳感器殼體)相對質量塊的位移y(輸出)就可真實地反映振動體相對大地的振幅x(輸入)。磁電式力發生器與激振器前已指出磁電式傳感器具有雙向轉換特性，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械量。在慣性儀器——陀螺儀與加速度計中廣泛應用的動圈式或動鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應用。它在機械結構的動態實驗中是非常重要的設備，用以獲取機械結構的動態參數，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。除上述應用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉速等測量。
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參考資料
1.

李開宇．傳感器原理：科學出版社，2007年
2.

陳杰．傳感器與檢測技術：高等教育出版社，2002.8：80