發布日期：2022-10-09 點擊率：65
BMD101是NeuroSky（神念科技）的第三代生物信號檢測和處理的片上設備。它具有先進的模擬前端電路和靈活強大的數字信號處理結構。它可以采集從uV到mV的生物信號，然后經過Neurosky的專利算法處理。低噪音放大器和ADC模數轉換器是BMD101模擬前端的主要組成部分。BMD101具有極低的系統噪聲和可控增益,因此可以有效地檢測到生物信號,并使用16位高精度ADC模擬數字轉換器把它們轉化成數字信號。模擬前端還包含一個檢測感應器脫落的電路。BMD101的核心是一個功能強大的系統管理單元。它負責整體系統配置、運行管理、內外通訊、專有算法計算和電源管理。BMD101還配有固化DSP數字信號處理模塊來加速對系統管理單元監控下的各種數字濾波的計算。
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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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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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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 ?。摧喞叽纾?，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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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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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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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
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1、第5章磁電式傳感器磁電式傳感器通過磁電作用將被測量轉換成電信號。可分為磁電感應式傳感器和霍爾式傳感器。5.1磁電感應式傳感器磁電感應式傳感器又叫電動式傳感器或感應式傳感器。它利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移和轉速等）轉換成電信號。它是有源傳感器，不需要輔助電源就能將被測機械量轉換成易于測量的電量。它輸出功率大，性能穩定，有一定的工作帶寬（Hz），故應用比較廣。5.1.1 工作原理和結構類型由電磁感應定律，匝是線圈在恒定磁場中運動，線圈兩端感應電動勢為 （5.1.1）其中是磁通量變化率。若線圈相對于磁場的運動速度和角速度分別為和時，則 （5.1.2） （5.1.3）其中為每匝線
2、圈的平均長度，為磁感應強度，為每匝線圈的平均截面積。 由（5.1.2）和（5.1.3）式可以看出，當結構參數確定后，那么感應電動勢就只是的函數，且成正比，故可用來測振動和轉速。根據結構的不同，磁電感應式傳感器可分為變磁通式和恒磁通式兩種類型。圖5.1.1 變磁通式磁電感應式傳感器的結構和工作原理變磁通式又叫變磁阻式，可分為開磁路和閉磁路兩種。開磁路變磁通式結構如圖5.1.1（a）所示。線圈3和磁鐵5靜止不動，2（由導磁材料制成）安裝在被測旋轉物理上，隨被測物體1一起轉動。當齒輪轉動時，每轉過一個齒，傳感器磁路的磁阻就變化一次，磁通也變化一次，3中的感應電動勢也變化一次。因此3中感應電動勢的變化
3、頻率等于2上的齒數和轉速的乘積。閉磁路變磁通式結構如圖5.1.1（b）所示。被測轉軸1帶動橢圓形鐵芯2在磁場氣隙中作周期性轉動，使氣隙平均長度發生周期性變化，磁路的磁阻也發生周期性變化，磁通發生變化，故線圈3中感應電動勢的頻率正比于2的轉速。恒定磁通式又可分為動圈式和動鐵式兩種。圖5.1.2（a）為動圈式。永久磁鐵4產生恒定磁場，它固定在傳感器的殼體內。線圈3繞在金屬骨架1上， 1固定在彈簧2上，2與殼體5相連。當5和4隨被測物體一起振動時，由于2較軟，而3和金屬骨架質量太大，跟不上振動的節奏。可認為線圈3靜止不動，振動能量被彈簧2吸收，磁鐵4與線圈3相對運動，相當于線圈3做切割磁力線，產生與
4、運動速度成正比的感應電動勢 （5.1.4）這是長方形線圈，其中為線圈匝數，為磁感應強度，為每雜線圈的平均長度。 圖5.1.2（b）為動鐵式。圖5.1.2 恒磁通式磁電感應式傳感器的結構和工作原理5.1.2 動態特性分析磁電感應式傳感器只能用于測量動態的物理量，故需要研究其動態特性。描述動態特性可用微分方程和傳遞函數。而對于高階復雜的機械系統，求解高階微分方程很困難。如果引入機械阻抗的概念，用系統的傳遞函數描述其動態特性會很方便。1 機械阻抗對于圖5.1.2所示的傳感器系統，當測量簡諧運動時，傳感器相當于一個二端口網絡，如圖5.1.3所示，其輸入量為機械量，輸出量為電量。如果內部無能量損耗，則輸
5、入的機械量將全部轉換為電能輸出，這種傳感器叫理想傳感器。而實際上，傳感器內部是存在損耗的，在輸入端有機械阻抗，在輸出端有電阻抗，分別記為和，如圖5.1.4所示。 圖5.1.3 理想傳感器的基本框圖 圖5.1.4 實際傳感器的基本框圖圖5.1.5 二階機械系統和二階電路系統圖5.1.2所示的傳感器系統可等效一個二階的機械系統，如圖5.1.5（a）所示。它由質量塊，彈簧（彈性系數）和阻尼器（阻尼系數）組成。作用在質量塊上的合力為零，則 （5.1.5）其中為慣性力，為彈性力，為阻尼力，為驅動力。所以有 （5.1.6）圖5.1.5（b）為串聯電路，其電壓方程為這兩個方程形式上相似，因此這連個系統可以相
6、互模擬。電路系統的阻抗為 （5.1.7）其諧振頻率為 （5.1.7）類比得到機械系統的機械阻抗為 （5.1.8）下標m是指mechanical（機械的）。機械系統的固有頻率為 （5.1.9）2 傳遞矩陣圖5.1.5所示的傳感器系統中，輸入端是機械系統，有機械阻抗，輸出端是電路系統，有電阻抗，因此可將圖5.1.4所示的框圖用三個二端口網絡表示，如圖5.1.6所示。圖中的參數均為復數，箭頭方向是能量流動的參考方向，并不代表實際方向。圖5.1.6磁電感應式傳感器的二端口網絡1）傳感器機械阻抗的傳遞矩陣在圖5.1.2中，將待測的物體和殼是固定在一起的，設殼的速度為，質量塊（阻尼器、線圈）的速度為，則殼
7、相對于質量塊的速度為 （5.1.10）對于質量塊，受到的力有阻尼力，彈簧力，電磁力，慣性力。、和與有關， （5.1.11）整理得 （5.1.12）將代入上式得到 （5.1.13）將代入上式，得到設正弦激勵（等效外加在殼體上的驅動力）為，輸入量為殼體相對于阻尼器的運動速度，則有 （5.1.14）將上式寫成矩陣形式 （5.1.15）2）理想傳感器的傳遞矩陣當一個實際傳感器不考慮機械阻抗時就是理想傳感器。由電磁感應定律可知線圈的感應電動勢為 （5.1.16）負號表示其阻礙作用。則 （5.1.17）其中表示氣隙磁感應強度，表示線圈有效長度。設線圈中的電流為，則線圈在同一磁場中受到的安培力為 （5.1.
8、18）將（5.1.6）式和（5.1.17）式用矩陣形式表示為 （5.1.19）3）傳感器電阻抗的傳遞矩陣傳感器的電阻抗就是線圈的阻抗。磁電感應式傳感器是一種電壓源類型的傳感器。線圈阻抗相當于理想傳感器電壓源的一個內阻抗，輸出電流就是流過線圈的電流，由圖5.1.4可知 （5.1.20）用矩陣表示，則傳感器中電阻抗的傳遞矩陣為 （5.1.21）4）實際傳感器的傳遞矩陣實際傳感器是由傳感器的機械阻抗、理想傳感器和傳感器的電阻抗組成。將（5.1.21）式和（5.1.19）式依次代入（5.1.15）式，得到 （5.1.22）將圖5.1.2所示的傳感器的傳遞矩陣用二端口網絡表示為如圖5.1.7所示。圖5.
9、1.7 磁電感應式傳感器二端口網絡的等效方框圖從傳感器的傳遞矩陣方程可以清楚地看出傳感器輸入量和輸出量之間的關系，并清楚地表示出磁電式傳感器的雙向性質。3 傳遞函數由式（5.1.22）可以得到如下方程組 （5.1.23）由圖5.1.4可知，代入上式得到 （5.1.24）即 （5.1.25）因為，則 （5.1.26）若則將上式簡化為 （5.1.27）這就是圖5.1.2所示的磁電感應式傳感器的傳遞函數。其幅頻特性如圖5.1.8所示。圖5.1.8 磁電感應式傳感器的幅頻特性由圖5.1.8可以看出：（1）當振動頻率低于傳感器的固有頻率時，傳感器的靈敏度隨頻率的變化而明顯地變化（2）的難過振動頻率遠高于
10、傳感器的固有頻率時，靈敏度接近為一常數，基本不隨頻率而改變。也就是說，在這一頻率范圍內，傳感器的輸出電壓與振動速度成正比。這一頻段就是傳感器的工作頻段，或叫響應范圍。這時傳感器可看成一理想的速度傳感器。（3）當頻率更高時，由于線圈的阻抗增加，靈敏度也將隨頻率的增加而下降。5.1.3 測量電路1 測量電路方框圖磁電感應式傳感器直接輸出的是感應電動勢，且該類傳感器具有較高靈敏度，所以一般不需要增益放大器。但是，磁電感應式傳感器是速度傳感器，如果要測量位移，需配用積分電路，如果要測量加速度，需配用微分電路。實際測量電路中，通常將微分或積分電路置于兩級放大器的中間，以利于級間的阻抗匹配。圖5.1.9就
11、是測量電路的一般方框圖。圖5.1.9 磁電感應式傳感器測量電路方框圖2 積分電路圖5.1.10 無源積分電路基本的無源積分電路如圖5.1.10所示，輸出電壓為，把代入得到 （5.1.28）兩邊作拉氏變換，得到 （5.1.29）該電路的傳遞函數為 （5.1.30）其中叫電路的時間常數。復頻特性為（把上式的替換成） （5.1.31）其中。當時，上式可近似為 （5.1.32）這是理想的積分特性。理想特性和實際特性之間存在誤差，幅值誤差為 （5.1.33）當時，上式可近似為 （5.1.34）可見越小，誤差越大。相角誤差 （5.1.35）有源積分電路如圖5.1.11所示，其中反饋電路的作用是為了抑制運放的失調漂移。同時積分電容的漏電阻和運放的輸入電阻應等效為與并聯，等效為，為運放的開環增益。 圖5.1.11 有源積分電路 圖5.1.12 無源微分電路這是一個電壓并聯負反饋電路。根據集成運放虛短和虛斷的原理，得到輸出電壓為 （5.1.36）其中。于是得到復頻特性方程（閉環電壓增益）為 （5.1.37）3 微分電路基本無源微分電路如圖5.1.12所示，輸出電壓為，流過電容的電流為，代入得 （5.1.38）復頻特性方程為 （5.1.39）當時，則得到近似理想特性 （5.1.40）顯然其工作頻段為，此時幅值、相角誤差分別為 （5.1.41）可見，最大誤差將出現在工作頻段的高端。
磁電感應式傳感器的特點
磁電感應式傳感器簡稱感應式傳感器，也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉變為感應電動勢，是一種機-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍（一般為10～1000Hz），適用于振動、轉速、扭矩等測量。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。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。
磁電感應式傳感器的工作原理，分類與應用
? ? ? ? 工作原理：根據電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線，線圈內產生感應電動勢e。e的大小與穿過線圈的磁通Φ變化率有關。按工作原理不同，磁電感應式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。
恒定磁通式磁電感應式傳感器按運動部件的不同可分為動圈式和動鐵式。動圈式磁電傳感器的中線圈是運動部件，基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度，如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速；動鐵式磁電感應式傳感器的運動部件是鐵芯，可用于各種振動和加速度的測量。
變磁通式磁電感應傳感器中，線圈和磁鐵都靜止不動， 轉動物體引起磁阻、磁通變化，常用來測量旋轉物體的角速度。如動畫所示，線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪1（導磁材料制成）每轉過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈3產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪1上齒輪的齒數和轉速的乘積。變磁通式傳感器對環境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度下工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達100Hz。
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