传感器与检测技术磁电式传感器原理及应用实用教案

1、1了解磁电式传感器的工作原理和它的特点。2理解(lji)变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理和应用。主要(zhyo)内容：第1页/共40页第一页，共41页。磁电式传感器机械能机械能电电 量量第2页/共40页第二页，共41页。第3页/共40页第三页，共41页。 当线圈与磁铁(cti)间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e为式中式中 B ：工作气隙磁感应强度；：工作气隙磁感应强度； N：线圈处于：线圈处于(chy)工作气隙磁场中的匝数，称为工作工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；匝数； l ：每匝线圈的平均长度：每匝线圈的平均长度; v ：线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度：线圈与磁铁沿轴线方向

2、的相对运动速度(ms-1)。 第4页/共40页第四页，共41页。 线圈在磁场中作旋转(xunzhun)运动时产生感应电动势的磁电传感器，它相当于一台发电机。如果线圈以角速度w旋转(xunzhun)，则产生的电动势为 式中 B ：工作气隙磁感应强度； N：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数； w ：线圈相对于磁场作旋转的角速度； S ：单匝线圈的截面积；第5页/共40页第五页，共41页。第6页/共40页第六页，共41页。磁通量的变化(binhu)实现办法: 磁铁与线圈之间做相对运动； 磁路中磁阻的变化(binhu)； 恒定磁场中线圈面积的变化(binhu)。第7页/共40页第七页，共41

3、页。根据以上原理有两种磁电感应式传感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件 可以是线圈也可以是磁铁可以是线圈也可以是磁铁(cti)(cti)。 变磁通式：线圈、磁铁变磁通式：线圈、磁铁(cti)(cti)静止不动，静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。 恒磁通式恒磁通式变磁通式变磁通式（a）开磁路 （b）闭磁路第8页/共40页第八页，共41页。动铁型动铁型动圈型第9页/共40页第九页，共41页。 在动圈式中，永久磁铁在动圈式中，永久磁铁4与传感器壳体与传感器壳体5固定固定(gdng)，线圈，线

4、圈3和金属骨架和金属骨架1（合称线圈组件）用（合称线圈组件）用柔软弹簧柔软弹簧2支承。支承。第10页/共40页第十页，共41页。第11页/共40页第十一页，共41页。 e直线(zhxin)式=-NBlv (1) e角速度式=-NBSw (2)式中：B磁场强度； l单圈匝线的有效长度； N 匝数； v直线(zhxin)速度； w角速度； S单匝线圈的截面积。 由由(1)、(2)式可知：式可知： e直线式直线式v = dx/dt e角速度式角速度式w = d/dt 因此，电磁式传感器可直接因此，电磁式传感器可直接(zhji)测量测量v 和和。第12页/共40页第十二页，共41页。 在动铁式中，线圈

5、组件（包括件在动铁式中，线圈组件（包括件3和件和件1）与壳体）与壳体5固定，永久磁铁固定，永久磁铁4用柔软弹簧用柔软弹簧2支承。两者的阻尼支承。两者的阻尼(zn)都是由金属骨架都是由金属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼(zn)。第13页/共40页第十三页，共41页。动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件(bjin)质量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时，运动部件(bjin)的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收。永久磁铁与线圈之间的相对运动速度

6、接近于振动体的振动速度。磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度v成正比的感应电动势。第14页/共40页第十四页，共41页。 由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度（这种传感器的灵敏度（e/v）是随振动频率而变化；当振动频）是随振动频率而变化；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似而变化，而近似(jn s)为常数；当振动频率更高时，线圈阻为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。抗增大，

7、传感器灵敏度随振动频率增加而下降。 不同结构不同结构(jigu)的恒定磁通磁电感应式传感器的频率响应特的恒定磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。第15页/共40页第十五页，共41页。第16页/共40页第十六页，共41页。 图(a)为开磁路变磁通式:线圈、 磁铁(cti)静止不动, 测量齿轮安装在被测旋转体上, 随之一起转动。每转动一个齿, 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次, 磁通也就变化一次, 线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单, 但输出信号较小, 且因高速轴上加

8、装齿轮较危险而不宜测量高转速。 n:被测物转速被测物转速(r/min); N:定子定子(dngz)或转子端面的齿数。或转子端面的齿数。第17页/共40页第十七页，共41页。 图图(b)为闭磁路变磁通式为闭磁路变磁通式, 被测转轴被测转轴1带动椭圆形带动椭圆形测量轮测量轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，磁路磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性性地变化，磁路磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈地变化，则在线圈3中产生中产生(chnshng)感应电动势，感应电动势，其频率其频率f与测量轮与测量轮2的转速的转速n（rmin-1）成

9、正比）成正比,即即f = n/30。 在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁（极掌）软铁（极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f = nZ/60，其中，其中Z为测量齿轮的齿数。为测量齿轮的齿数。 第18页/共40页第十八页，共41页。二、设计(shj)要点 磁电感应式传感器有两个基本元件：一个是产生恒定直磁电感应式传感器有两个基本元件：一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一般采用永久磁流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一般采用永久磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应

10、电动铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。势。 因此必须合理地选择它们的结构形式、材料因此必须合理地选择它们的结构形式、材料(cilio)和结和结构尺寸，以满足传感器的基本性能要求。构尺寸，以满足传感器的基本性能要求。 下面将简述恒定磁通式传感器的设计要点。下面将简述恒定磁通式传感器的设计要点。 第19页/共40页第十九页，共41页。 当传感器的结构确定后，式中B、l、N都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为 为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加l和N也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率

11、等因素的限制。 为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是合理地选择它们的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本(jbn)性能要求。 第20页/共40页第二十页，共41页。1. 工作工作(gngzu)气隙气隙 工作工作(gngzu)气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器灵敏度就高。但气隙大，磁路系统磁感应强度就低，传感器灵敏度也低，灵敏度就高。但气隙大，磁路系统磁感应强度就低，传感器灵敏度也低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出特性非线性。而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出

12、特性非线性。第21页/共40页第二十一页，共41页。 为了为了(wi le)(wi le)使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必须在保证足够大的使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必须在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙d d。工作气隙宽度。工作气隙宽度l l也和传也和传感器的灵敏度、线性度有关。感器的灵敏度、线性度有关。l l越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此一般取量就较大，因此一般取d/l1/4d/l1/4。1. 工作工作(gngzu

13、)气隙气隙 第22页/共40页第二十二页，共41页。2. 永久磁铁永久磁铁(yn ji c ti) 永久磁铁由永磁合金材料制成，是提供工作气隙磁能的能源。永久磁铁由永磁合金材料制成，是提供工作气隙磁能的能源。不同永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要参数为不同永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要参数为矫顽力、剩余磁感应强度和最大磁能积矫顽力、剩余磁感应强度和最大磁能积(BH)m，以及去磁曲线，以及去磁曲线B=f1(H)和磁能积曲线和磁能积曲线(BH)=f2(B)。为了提高传感器的灵敏度，应。为了提高传感器的灵敏度，应选选(yn xun)用具有较大磁能积的永磁合金。用具有较大磁能积的永磁合

14、金。 常用的永磁合金有在强磁场中铸造的铝镍钴永磁合金，其剩磁和矫顽力都较大，能在体积、重量较小时得到较高的气隙磁感应强度，其稳定性高，使用最为广泛。第23页/共40页第二十三页，共41页。3线圈线圈(xinqun)组件组件 线圈组件由线圈和线圈骨架组成。一般线圈骨架由金属，如线圈组件由线圈和线圈骨架组成。一般线圈骨架由金属，如铜、铝、不锈钢等制成，起电磁阻尼作用。但当传感器精度要求铜、铝、不锈钢等制成，起电磁阻尼作用。但当传感器精度要求较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加(zngji)，所以必须，所以必须采用其它阻尼器。采用其它阻尼器。 这时线圈骨架由非

15、金属，如有机玻璃等制成。为减小尺寸，这时线圈骨架由非金属，如有机玻璃等制成。为减小尺寸，也有不用骨架的。也有不用骨架的。第24页/共40页第二十四页，共41页。 当线圈组件在工作气隙中相对于永久磁铁运动当线圈组件在工作气隙中相对于永久磁铁运动(yndng)(yndng)时，要保证两者间没有摩擦。除此之外，时，要保证两者间没有摩擦。除此之外，还必须保证在测量范围内传感器灵敏度恒定。最后还应还必须保证在测量范围内传感器灵敏度恒定。最后还应核算线圈的温升是否在允许的范围内。核算线圈的温升是否在允许的范围内。3线圈线圈(xinqun)组件组件 在精度较高的传感器中，线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场的

16、作用（称为线圈磁场效应）是不能忽略的，需采用补偿线圈与工作线圈相串联而加以补偿。当环境温度变化较大时, 传感器的温度误差较大，必须加以温度补偿。第25页/共40页第二十五页，共41页。(1)(1)动圈式振动动圈式振动(zhndng)(zhndng)速度传感器速度传感器1、8:圆形弹簧片圆形弹簧片2 、圆形阻尼器、圆形阻尼器3、永久磁铁、永久磁铁4、铝架、铝架5、圆形阻尼器用心轴、圆形阻尼器用心轴6、工作线圈、工作线圈7、壳体、壳体9、引线、引线第26页/共40页第二十六页，共41页。 它属于动圈式恒定它属于动圈式恒定(hngdng)磁通型。其结构原理图如图磁通型。其结构原理图如图5-3所示，所

17、示，永久磁铁永久磁铁3通过铝架通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工路系统，壳体还起屏蔽作用。磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工作线圈作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2。工作线圈和圆。工作线圈和圆环形阻尼器用心轴环形阻尼器用心轴5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和和8支承在壳体支承在壳体上。上。第27页/共40页第二十七页，共41页。 将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳

18、体将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳体一起随被测体振动，由于质量块有一定的质量，产生惯性力，而一起随被测体振动，由于质量块有一定的质量，产生惯性力，而弹簧片又非常柔软，因此当振动频率远大于传感器固有频率时，弹簧片又非常柔软，因此当振动频率远大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过引线动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过引线(ynxin)9接到测量电路。接到测量电路。同时良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形同时良导体阻尼器也在磁路系统气

19、隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。 第28页/共40页第二十八页，共41页。 线 圈 的 输 出 通 过 引 线 输 出 到 测 量 电 路线 圈 的 输 出 通 过 引 线 输 出 到 测 量 电 路(dinl)(dinl)。 该传感器测量的是振动速度参数该传感器测量的是振动速度参数, , 若 在 测 量 电 路若 在 测 量 电 路 ( d i n l )( d i n l ) 中 接 入 积 分 电 路中 接 入 积 分 电 路(dinl), (dinl), 则输出电势与位移成正比则输

20、出电势与位移成正比; ; 若在测量若在测量电路电路(dinl)(dinl)中接入微分电路中接入微分电路(dinl), (dinl), 则其则其输出与加速度成正比。输出与加速度成正比。第29页/共40页第二十九页，共41页。（2）磁电感应式转速）磁电感应式转速(zhun s)传感器传感器 图图5-4是一种磁电感应式转速是一种磁电感应式转速传感器的结构原理图。转子传感器的结构原理图。转子2与与转轴转轴1固紧。转子固紧。转子2和定子和定子5都用都用工业纯铁制成，它们和永久磁铁工业纯铁制成，它们和永久磁铁3组成磁路系统。转子组成磁路系统。转子2和定子和定子5的环形端面上都均匀地铣了一些的环形端面上都均

21、匀地铣了一些齿和槽，两者的齿、槽数对应齿和槽，两者的齿、槽数对应(duyng)相等。相等。第30页/共40页第三十页，共41页。 测量转速时，传感器的转轴测量转速时，传感器的转轴1与与被测物转轴相连接，因而带动被测物转轴相连接，因而带动(didng)转子转子2转动。当转子转动。当转子2的齿的齿与定子与定子5的齿相对时，气隙最小，磁的齿相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大。而齿与槽相对时，路系统的磁通最大。而齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。气隙最大，磁通最小。 因此当定子因此当定子5不动而转子不动而转子2转动时，转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈磁通就周期性地变化，从而在线圈4中感应出近似

22、正弦波的电压信号，其中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与转速成正比关系。频率与转速成正比关系。 （2）磁电感应式转速）磁电感应式转速(zhun s)传感器传感器 n:被测物转速被测物转速(r/min); N:定子或转子端面的齿数。定子或转子端面的齿数。第31页/共40页第三十一页，共41页。 它属于变磁通式，结构示意它属于变磁通式，结构示意图如图图如图5-5所示。转子（包括线所示。转子（包括线圈圈(xinqun)）固定在传感器轴）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）固定在上，定子（永久磁铁）固定在传感器外壳上。转子、定子上传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和槽。都有一一对应的齿和槽。

23、（3）磁电感应式扭矩仪）磁电感应式扭矩仪 第32页/共40页第三十二页，共41页。 测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴分别测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴分别(fnbi)固定在被测轴的两固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一端，它们的外壳固定不动。安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传感器的定子槽与其转子齿相对。当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零，个传感器的定子槽与其转子齿相对。当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零， 若转若转轴以一定角速度旋转，轴以一定角速度旋转， 则两个传感器输出两个近似正弦波感应电动势。则两个传感器输出两个近似正弦波感应电动势。第33页/共40页第三十三页，共41页。 当扭矩作用在扭转轴上时当扭矩作用在扭转轴上时, , 两个磁电传感器输出的感应两个磁电传感器输出的感应(gnyng)(gnyng)电压电压u1u1和和u2u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相转角成正比。这样传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。位差的电信号。 ：扭转角； 0：相位差；n ：传感器定子(dngz)(或转子)的齿数。第34页/共40页第三十四页，共41页。 属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动(