磁电式传感器的误差及补偿

5.3　磁电式传感器的误差及补偿

实际使用磁电式传感器时，都要后接测量电路。设测量电路输入电阻为R_L，则传感器的输出电流及电流灵敏度分别为

传感器的输出电压和电压灵敏度分别为

当传感器的工作温度发生变化、或受到外界磁场的干扰、或受到机械振动和冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差。相对误差公式可由式（5-14）导出

5.3.1　非线性误差

磁电式传感器产生非线性的主要原因是，由于传感器线圈输出电流i变化产生的附加磁通Φ_i叠加于永久磁铁产生的气隙磁通Φ上，使恒定的气隙磁通变化，如图5-6所示。当传感器线圈相对运动的速度和方向改变时，由i产生的附加磁场的作用也随之改变，从而使传感器灵敏度随被测速度的大小和方向的改变而变化。结果，传感器输出的基波能量降低，谐波能量增加，即这种非线性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性将越严重。

为补偿上述附加磁场干扰，可在传感器中加入补偿线圈，如图5-2（a）所示。补偿线圈通以经放大K倍的电流i_k。适当选择补偿线圈的参数，可使其产生的交变磁通与传感器线圈本身所产生的交变磁通互相抵消。

气隙磁场不均匀也是造成传感器非线性误差的原因之一。图5-7所示的结构中，对轴向充磁磁钢，在软磁材料导磁帽上用机械方法强行固定一个与主磁钢充磁方向相反的铂钴磁片，把主磁钢的磁力线大部分压到工作气隙中，减少了轴向漏磁，提高了磁钢的利用系数，提高了磁场的均匀性，大大减小非线性误差。

图5-6　传感器电流i的磁场效应

图5-7　采用反向磁片的轴向充磁磁路

1—动圈；2—铂钴磁片；3—磁帽；4—磁钢；5—轭铁

5.3.2　温度误差

温度的变化，将导致线圈匝长及导线电阻率的变化、磁阻的变化及磁导率的变化等。式（5-17）中的B、l_a、R都随温度而变化。对铜导线，每摄氏度的变化量为:（dl_a/l_a）≈0.167×10^-4；（dR/R）≈0.43×10^-2；对第一类永磁材料，（dB/B）≈-0.02×10^-2。这样由式（5-17）可得

图5-8　挠性陀螺力矩器中采用的热磁温度补偿

γ≈（-4.5%）/10℃

这个数值是很可观的。所以需要进行温度补偿。通常采用热磁补偿合金来实现。图5-8所示是前述磁电式传感器的逆转换器，它用作挠性陀螺仪的力矩器。径向充磁的永久磁铁与高导磁材料的陀螺转子构成磁路系统；置于气隙中的固定线圈通以直流电后产生作用于陀螺转子的力矩。采用热磁补偿合金1J32做成薄片（厚度0.05～0.10mm）胶接在磁钢两端面作磁分流环。补偿合金是具有很大负温度系数的铁镍合金，其磁导率随温度的改变接近线性关系。由于磁分流环很薄，在正常工作温度下处于磁饱和状态，将永久磁铁形成的气隙磁通分流一部分。当温度上升时，永久磁铁中的磁感应强度B_m因负温度系数而下降，使气隙磁感应强度B有所下降。但由于热磁补偿合金构成的分磁路磁阻随温度升高而线性增大，使原来经它分流的磁通有一部分通不过去，只得通过工作气隙，这就使气隙磁通量密度B略有回升。

设永久磁铁的磁通为Φ_m；磁分流环磁通和磁感应强度分别为Φ_n和B_n；A_m、A_n、A分别为永久磁铁、磁分流环、工作气隙的磁路截面积，则气隙磁通和磁感应强度为

由式（5-18）和式（5-19），如果正确调整垂直于磁通方向的分磁路截面积，使之在温度变化时满足ΔΦ_n＝ΔΦ_m，就能保证气隙磁感应强度B不随温度而变化，实现温度补偿。目前最好的方法是磁分流补偿，补偿精度可达（2.5～3.0）×10^-5/℃。

5.3.3　永久磁铁的稳定性

永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中磁感应强度的稳定性。欲使磁电式传感器精度达到0.2%，就要求磁路气隙磁通值的变化率小于总值的0.05%。更高的稳定性在1×10^-430d范围内。

为了保证磁电式传感器的精度和可靠性，一般采取如下几种稳磁处理措施。

（1）时间稳定性　这是指在室温下长时间放置所引起的时效。它与永久磁铁材料本身的矫顽力H_c和磁铁的尺寸比（对圆柱形磁铁即长径比l/d）有关。矫顽力越高、尺寸比越大，则越稳定。

为了使永久磁铁在使用过程中保持稳定，用交流强制退磁的办法可以获得良好的效果。交流强制退磁的程度由永久磁铁的使用状态和材料决定，对于AlNiCo8等材料，一般在3%～5%左右。这种把永久磁铁充磁饱和以后，再进行少量交流退磁的方法，叫做“小电流老化”，或叫做去“虚磁”。

（2）温度稳定性　为使传感器能在非室温条件下使用，必须进行高低温时效稳磁处理。如要求永久磁铁在T₁～T₂的温度范围内使用，则把充磁后的永久磁铁反复多次地置于高于T₂及低于T₁下保温4～5h，进行3～5个循环。实际上就是对永磁材料及磁路内各材料进行温度冲击。经过这种处理后，虽然B_m的数值减小了，但随温度的变化也减小了。

（3）外磁场作用下的稳定性　传感器工作环境中，会有一些外磁场源，如变压器、通电线圈等。而且充磁后的永久磁铁在存放、运输和装配过程中，总是处在永久磁铁相互产生的磁场中。为使其能长期稳定地工作，应进行“人工老化”，即选一个比工作过程中遇到最大的干扰磁场大数倍的交流磁场作用到永久磁场上，强迫其工作点稳定下来，从而增强永久磁铁抗外磁场干扰的能力。

为了防止永久磁铁与铁磁性物质接触而引起磁性能减小，应该用非磁性材料制成的防护屏把它屏蔽起来。屏蔽材料通常用塑料或黄铜。

（4）机械振动作用下的稳定性　冲击和振动都能引起永久磁铁的退磁。这种作用除了由于反复的机械应变而使磁畴排列变乱外，还促使组织的变化。由冲击、振动而引起的退磁程度和永磁体内部的结构有密切关系。一般将充磁后的永久磁铁按一定技术要求，先经受约千次的振动和冲击试验；振动、冲击值取今后工作中可能遇到的最大值。如在航空、航天技术中，永久磁铁承受的振动为:频率20～2000Hz，过载50～100m/s²，时间4min；承受冲击为100～500m/s²，时间为6ms。经振动、冲击试验后的永磁体，一般退磁率为1%～2%，但提高了抗振动和冲击的能力。

为防止导线及线圈骨架材料中含铁磁物质而影响性能，可采用无磁性漆包线绕制线圈及用陶瓷等作为线圈骨架。