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磁传感器原理及结构图(无磁传感原理简介)(1)

应环球表计邀稿,写了一篇有关无磁传感方面的科普性质的介绍,以便让大家了解近年水表圈热议的无磁到底是怎么回事。

以本人认识,从何谓无磁传感和无磁传感原理两部分来阐述,希望有助读者于理解该技术的基本原理。

何谓无磁传感

目前流体计量中所指的无磁传感是相对于磁体采样而言的定义,是种约定俗成的说法。具体来说,有磁采样是指机械水表中指示盘的旋转指针上,安装了小磁铁,采样是外部用干簧管或霍尔元件实现。无磁就是指旋转指针没有这种小磁铁,用不受磁影响的金属片替代磁铁,这种采集金属旋转转动及方向的技术,被称为无磁采样。

金属片的材质可以用不锈钢,铜等不受外部磁场影响的金属。

磁传感器原理及结构图(无磁传感原理简介)(2)

无磁传感原理介绍

无磁传感的基本原理包含 :金属片上的傅科电流原理 ;产生电流的能量提供源 ;能量提供源头做采样判断。

傅科电流(涡流)

块状金属处于变化磁场中或相对于磁场运行时,在金属体内部形成感应电流,这种电流的流线呈涡旋状闭合回线,所以叫涡流。由于该现象于 1851 年由法国物理学家傅科首先发现故又称为傅科电流(Foucault current)。

涡流的产生原理如图所示,线圈中的交变电流产生磁场,这个磁场从圆心径向分布,如图所示。磁力线是呈伞形分布的 ;而涡流则是与磁力线垂直、呈圆周分布的,无数的涡流就形成许多同心圆。实际上涡流是电磁感应现象的一种表现形式,都是从法拉第最早发现电磁感应原理派生出来的现象。

涡流中的趋肤效应:当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的 “ 皮肤 ” 部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。

磁传感器原理及结构图(无磁传感原理简介)(3)

水表中的部分金属化指针,就是在变化磁场中做旋转运动。部分金属化指针位置与磁力线垂直,转动过程中还伴有在转动轴心的上下位移。

结论一 :目前采金属片旋转的方式均为该原理,也有把此无磁称为“抗磁”,实际上全都是金属片垂直切割交变磁场方式。

结论二 :与金属片厚度无关,与金属片面积有关。

线圈 —— 金属片涡流能量提供源

交变磁场由线圈提供,线圈的形式可以是有铁氧体磁芯的电感、空心线圈、印制板 PCB 线圈等形式。线圈与电容组合成的 LC 谐振电路为金属片产生的涡流提供能量来源。线圈上的谐振频率和电压幅值由电路 LC 等参数决定,有兴趣读者可自查该方面资料。

磁传感器原理及结构图(无磁传感原理简介)(4)

其中磁芯线圈不抗外部强磁,尽管在无外强磁情况下也能检测金属片旋转,但属于笔者称谓之 “ 假无磁 ”。

从线圈即能量提供端采样判断金属旋转及位置

线圈作为金属片上涡流的能量来源,如果可以提供足够能量的话,是另外一种应用领域 :加热产品。如家用的电磁炉,炼钢所用的电磁炉等等,都是利用了电涡流原理。

应用于水表流体中的线圈,其提供的能量有限,正是由于弱电源的原因,当金属片垂直于线圈即交变磁力线时,能量传递到金属片的瞬间,线圈自身的谐振幅值被拉垮,即明显的振荡衰减现象。这种明显的振荡衰减现象可被电路捕获,送入单片机中做出旋转和方向的判断。可以说无磁采样是电涡流原理在流体采样领域的特殊应用。

磁传感器原理及结构图(无磁传感原理简介)(5)

图示中红色波形为电感线圈位于金属片位置,蓝色波形部分为电感线圈位于非金属位置。红色部分明显谐振衰减。理解了这点可以回答关于无磁采样的误区:

误区一:无磁是收发式或者是雷达式。无磁采样就是利用了线圈谐振时电压衰减并被捕获,不是通信射频发送与接收的概念。

误区二:无磁功耗会很高?无磁功耗来源于激励瞬间时功耗,LC 振荡时电流在电感 L 与电容 C 之间流动,不会再有功耗的增加了。是目前已知的采样手段中功耗最低的方式之一。

对于无磁采样的原理,可简单总结为几点,方便理解;

金属片上产生的涡流需要能量 ;能量提供方的谐振电压被衰减;衰减的电压能被检测。

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作者简介

张弦,从事电力仪表行业产品开发技术管理,国际市场开拓等工作近二十年。原就职于长沙威胜电子有限公司,2019 年创业成立长沙铨准电子科技有限公司,致力于解决电,流体底层传感计量产品,面向全行业提供精准计量的前端模块。

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