3.5 压磁式传感器
3.5.1 基本原理
3.5.2 传感器的形式
3.5.3 参数选取的基本原则
3.5.4 压磁传感器的误差
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3.5.1 基本原理
压磁效应,
某些铁磁物质在外界机械力的作用下, 其内
部产生机械应力, 从而引起磁导率的改变 。
磁致伸缩,
某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变
形, 有些伸长, 有些则压缩 。
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磁致伸缩
? 正磁致伸缩, 当某些材料受拉时, 在受力方向
上磁导率增高, 而在与作用力相垂直的方向
上磁导率降低；
? 负磁致伸缩, 某些材料受拉时, 在受力方向上
磁导率降低, 而在与作用力相垂直的方向上
磁导率增高
? 只有在一定条件下 (如磁场强度恒定 )压磁效应
才有单值特性, 但不是线性关系,
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铁磁材料的压磁应变灵敏度
? 表示方法与应变灵敏度系数表示方法相似
ll
S
l /
/
?
?
??
??
?
? ?
式中,εμ― 磁导率的相对变化；
εl ― 在机械力的作用下铁磁物质的相对变形
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工业纯铁的 εμ和 εl的关系
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压磁应力灵敏度
? 单位机械应力,所引起的磁导率相对变化
?
??
?
/?
?S
压磁传感器, 用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力 (或力矩 )
eZRP m 或???? ??
变换链
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3.5.2 传感器的形式
1,用一个方向磁导率的变化的传感器
2,用两个方向上磁导率的改变
3,维捷曼效应
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１．用一个方向磁导率的变化
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(a) (b), 测量压力 P用的传感器
? 与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达
到电感值的改变。
PKKL 21 ??? ?
式中,L—— 传感器的电感；
K1 K2—— 与激磁电流大小有关的系数,
在一定条件下可认为是近似的常数。
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(e)(d), 与互感形传感器相似
Pu)P(K
W
W
E ???
1
1
2
2
式中,E2—— 传感器输出感生电势；
u1—— 原端励磁电压；
W1,W2—— 一次和二次绕组的匝数；
K(P)—— 系数，它与激磁电流频率及幅值有关
同时也与被测力 P有关
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(c),压磁应变片
? 在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕
组, 使用时将它粘在被测应变的工件表面,
使其整体与被测工件同时发生变形, 从而引
起铁芯中磁导率改变, 导致电感值改变 。
? 这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压
器形传感器, 常称为互感型压磁应变片 。
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2,用两个方向上磁导率的改变
（ a）传感器结构
（ b）传感器在没受外力
E2=0
（ c）传感器受拉力
E2≠0
（ d）传感器受压力
E2≠0
相位与受拉力相差 180°
常用来测量几万牛顿的压力，耐过载能力强，线性度 3%-5%。
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3,维捷曼效应
在卷捻棒状铁磁物质时，在其上将出现一个按
着螺旋形分布的区域，在这个区域中磁导率沿
螺旋方向增加 。
（ a） 逆, 维捷曼, 效应,
在一根旋转的铁磁轴中若流有电流, 则在轴中
不仅有环形磁通, 还有轴向磁通存在 。
(b)顺, 维捷曼, 效应,
带有电流的铁磁轴放在磁场中, 则此轴将出现
扭曲变形 （ 称为 ） 。
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维捷曼效应测量非电量的原理
（ a）（ b）是用来测量转矩 M
图（ c）是用来测量气体压力的
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图（ b）将激磁电压加在轴上
? 当转矩 M ≠0，产生的电势
M
R
l
B
fBE
s
s
m 2244.4
?
?
??
?
1
24
22
??
M
RB
s
s
??
?当 时，上式有效。
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3.5.3 参数选取的基本原则
? 铁芯尺寸主要由选用材料允许应力的限制 。
而磁场强度主要是影响传感器的灵敏度 。
μ－△ Z/Z关系曲线
μ和△ Z/Z的最大值均出现在 H值
很相近的位置上，因此传感器的
设计磁场强度可近似的取在图中
磁导率最大值的一点附近，即取
mHH ?
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表 5.4.1
?
??
?
/??S
mH
名 称 材 料
坡 莫 合 金 45%Ni 0.94% 0.02
变 压 器 钢 4.5%Si
0.84% 0.2
工 业 纯 铁
0.81% 0.15
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有磁场强度 H之后，可由下式求绕组参数
I
lHW ??绕组匝数
供电电压可用下式决定,
222 R)fL(Iu ??? ?
3
2
104.0 ??
l
SWL ??
式中,S—— 磁通路的截面积 ()
μ—— 所选 H处的磁导率 ()。
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3.5.4 压磁传感器的误差
1,磁滞误差
2,线性误差
3,老 化
4,温度误差
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1,磁滞误差
? 由铁磁材料的磁滞特性造成的,
误差的特点,
动态测量时小（ 1%）,静态测量大约在 4%。此
误差的大小还与磁场强度有关
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２,线性误差
? 测量中要经过多次变化才能完成，而这些变换
均为非线性变换，因此这种传感器有较大的非
线性。
减少非线性, 牺牲灵敏度的方法
使 B（或是说 H值不在最佳点上）选取在磁化
曲线的线性段中，可对传感器加初始预应力，
使其工作在线性段内,
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３,老化
随着时间流逝, 传感器的磁导率会发生变化, 内应
力要改变, 导致传感器灵敏度不稳定, 造成的误差
约在 0.5%（ 实芯传感器 ） —— 2%（ 叠片式 ） 。
４, 温度误差
环境温度改变会引起线圈直流电阻值改变, 磁导率
改变, 磁致伸缩效应改变等等, 因而造成温度误差 。
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3.5.1 基本原理
3.5.2 传感器的形式
3.5.3 参数选取的基本原则
3.5.4 压磁传感器的误差
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3.5.1 基本原理
压磁效应,
某些铁磁物质在外界机械力的作用下, 其内
部产生机械应力, 从而引起磁导率的改变 。
磁致伸缩,
某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变
形, 有些伸长, 有些则压缩 。
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磁致伸缩
? 正磁致伸缩, 当某些材料受拉时, 在受力方向
上磁导率增高, 而在与作用力相垂直的方向
上磁导率降低；
? 负磁致伸缩, 某些材料受拉时, 在受力方向上
磁导率降低, 而在与作用力相垂直的方向上
磁导率增高
? 只有在一定条件下 (如磁场强度恒定 )压磁效应
才有单值特性, 但不是线性关系,
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铁磁材料的压磁应变灵敏度
? 表示方法与应变灵敏度系数表示方法相似
ll
S
l /
/
?
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式中,εμ― 磁导率的相对变化；
εl ― 在机械力的作用下铁磁物质的相对变形
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工业纯铁的 εμ和 εl的关系
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压磁应力灵敏度
? 单位机械应力,所引起的磁导率相对变化
?
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?
/?
?S
压磁传感器, 用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力 (或力矩 )
eZRP m 或???? ??
变换链
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3.5.2 传感器的形式
1,用一个方向磁导率的变化的传感器
2,用两个方向上磁导率的改变
3,维捷曼效应
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１．用一个方向磁导率的变化
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(a) (b), 测量压力 P用的传感器
? 与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达
到电感值的改变。
PKKL 21 ??? ?
式中,L—— 传感器的电感；
K1 K2—— 与激磁电流大小有关的系数,
在一定条件下可认为是近似的常数。
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(e)(d), 与互感形传感器相似
Pu)P(K
W
W
E ???
1
1
2
2
式中,E2—— 传感器输出感生电势；
u1—— 原端励磁电压；
W1,W2—— 一次和二次绕组的匝数；
K(P)—— 系数，它与激磁电流频率及幅值有关
同时也与被测力 P有关
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(c),压磁应变片
? 在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕
组, 使用时将它粘在被测应变的工件表面,
使其整体与被测工件同时发生变形, 从而引
起铁芯中磁导率改变, 导致电感值改变 。
? 这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压
器形传感器, 常称为互感型压磁应变片 。
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2,用两个方向上磁导率的改变
（ a）传感器结构
（ b）传感器在没受外力
E2=0
（ c）传感器受拉力
E2≠0
（ d）传感器受压力
E2≠0
相位与受拉力相差 180°
常用来测量几万牛顿的压力，耐过载能力强，线性度 3%-5%。
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3,维捷曼效应
在卷捻棒状铁磁物质时，在其上将出现一个按
着螺旋形分布的区域，在这个区域中磁导率沿
螺旋方向增加 。
（ a） 逆, 维捷曼, 效应,
在一根旋转的铁磁轴中若流有电流, 则在轴中
不仅有环形磁通, 还有轴向磁通存在 。
(b)顺, 维捷曼, 效应,
带有电流的铁磁轴放在磁场中, 则此轴将出现
扭曲变形 （ 称为 ） 。
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维捷曼效应测量非电量的原理
（ a）（ b）是用来测量转矩 M
图（ c）是用来测量气体压力的
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图（ b）将激磁电压加在轴上
? 当转矩 M ≠0，产生的电势
M
R
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B
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1
24
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?当 时，上式有效。
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3.5.3 参数选取的基本原则
? 铁芯尺寸主要由选用材料允许应力的限制 。
而磁场强度主要是影响传感器的灵敏度 。
μ－△ Z/Z关系曲线
μ和△ Z/Z的最大值均出现在 H值
很相近的位置上，因此传感器的
设计磁场强度可近似的取在图中
磁导率最大值的一点附近，即取
mHH ?
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表 5.4.1
?
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mH
名 称 材 料
坡 莫 合 金 45%Ni 0.94% 0.02
变 压 器 钢 4.5%Si
0.84% 0.2
工 业 纯 铁
0.81% 0.15
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有磁场强度 H之后，可由下式求绕组参数
I
lHW ??绕组匝数
供电电压可用下式决定,
222 R)fL(Iu ??? ?
3
2
104.0 ??
l
SWL ??
式中,S—— 磁通路的截面积 ()
μ—— 所选 H处的磁导率 ()。
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3.5.4 压磁传感器的误差
1,磁滞误差
2,线性误差
3,老 化
4,温度误差
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1,磁滞误差
? 由铁磁材料的磁滞特性造成的,
误差的特点,
动态测量时小（ 1%）,静态测量大约在 4%。此
误差的大小还与磁场强度有关
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２,线性误差
? 测量中要经过多次变化才能完成，而这些变换
均为非线性变换，因此这种传感器有较大的非
线性。
减少非线性, 牺牲灵敏度的方法
使 B（或是说 H值不在最佳点上）选取在磁化
曲线的线性段中，可对传感器加初始预应力，
使其工作在线性段内,
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３,老化
随着时间流逝, 传感器的磁导率会发生变化, 内应
力要改变, 导致传感器灵敏度不稳定, 造成的误差
约在 0.5%（ 实芯传感器 ） —— 2%（ 叠片式 ） 。
４, 温度误差
环境温度改变会引起线圈直流电阻值改变, 磁导率
改变, 磁致伸缩效应改变等等, 因而造成温度误差 。
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