【课件】传感器与检测技术磁电式传感器原理及应用

1、 1 1 了解磁电式传感器的工作原理和它了解磁电式传感器的工作原理和它的特点。的特点。 2 2 理解变磁通式和恒磁通式磁电传感理解变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理和应用。器的工作原理和应用。主要内容：主要内容：磁电式传感器机械能机械能电电 量量 当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势应电势e为为式中式中 B ：工作气隙磁感应强度；：工作气隙磁感应强度； N：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数； 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

2、圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。 线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的磁电传线圈在磁场中作旋转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。如果线圈以角速度感器，它相当于一台发电机。如果线圈以角速度w旋转，旋转，则产生的电动势为则产生的电动势为 式中式中 B ：工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度； N：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；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；线圈相对于磁场作旋转的角速度； S ：单匝线圈的截面积；单匝线圈的截面积；磁通量的变化实现办法: 磁铁与线圈之间做相对运动； 磁路中磁阻的变

3、化； 恒定磁场中线圈面积的变化。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。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 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）闭磁路动铁型动铁型动圈型动圈型 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，线圈线圈3和金属骨架和金属骨架1（合称线圈组件）用柔软弹簧（合称线圈组件）用柔软弹簧2支承

4、支承。 e直线式直线式=-=-NBlv (1)(1) e角速度式角速度式=-=-NBSw (2)式中：式中：B磁场强度；磁场强度； l单圈匝线的有效长度；单圈匝线的有效长度； N 匝数；匝数； v直线速度；直线速度； w角速度；角速度； S单匝线圈的截面积单匝线圈的截面积。 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测量因此，电磁式传感器可直接测量v 和和。 在动铁式中，线圈组件（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

5、阻尼都是由支承。两者的阻尼都是由金属骨架金属骨架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。 动圈、动铁都是相对于传感器动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。当壳体随被测振动壳体而言。当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，因此运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高振动频率足够高（远高于传感（远高于传感器的固有频率）时，运动部件器的固有频率）时，运动部件的的惯性很大惯性很大，来不及跟随振动来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收。振动能量几乎全被弹簧吸收。永久磁铁

6、与线圈之间的相对运永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体的振动速动速度接近于振动体的振动速度。磁铁与线圈相对运动使线度。磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速圈切割磁力线，产生与运动速度度v成正比的感应电动势。成正比的感应电动势。 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，而近似为常数；当振动频率更高时，线

7、圈阻抗增大，而变化，而近似为常数；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。传感器灵敏度随振动频率增加而下降。 不同结构的恒定磁通磁电感应式传感器的频率响应特性不同结构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。是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。 图图(a)为开磁路变磁通式为开磁路变磁通式:线线圈、圈、 磁铁静止不动磁铁静止不动, 测量齿轮测量齿轮安装在被测旋转体上安装在被测旋转体上, 随之一随之一起转动。每转动一个齿起转动。每转动一个齿, 齿的齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次凹凸引起磁路磁阻变化一次, 磁通也就变化一次磁通

8、也就变化一次, 线圈中产线圈中产生感应电势生感应电势,其其变化频率等于被变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单这种传感器结构简单, 但输出但输出信号较小信号较小, 且因高速轴上加装且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。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:定子或转子端面的齿数。定子或转子端面的齿数。 图图(b)为闭磁路变磁通式为闭磁路变磁通式, 被测转被测转轴轴1带动椭圆形测量轮带动椭圆形测量轮2在磁场气隙在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，磁路磁阻也周期性

9、地变性地变化，磁路磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在化，磁通同样周期性地变化，则在线圈线圈3中产生感应电动势，其频率中产生感应电动势，其频率f与测量轮与测量轮2的转速的转速n（rmin-1）成正）成正比比,即即f = n/30。 在这种结构中，也可以用齿轮代在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮替椭圆形测量轮2，软铁（极掌），软铁（极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频制成内齿轮形式，这时输出信号频率为率为f = nZ/60，其中，其中Z为测量齿轮为测量齿轮的齿数。的齿数。 二、设计要点 磁电感应式传感器有两个基本元件：一个是产生磁电感应式传感器有两个基本元件：一个是产生恒定直

10、流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一般采用永久磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁般采用永久磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。通交链产生感应电动势。 因此必须合理地选择它们的结构形式、材料和结因此必须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。 当传感器的结构确定后，式中当传感器的结构确定后，式中B、l、N都为常数，感应都为常数，感应电势电势e仅与相对速度仅与相对速度v有关。传感器的

11、灵敏度为有关。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尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加；增加l和和N也能也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。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。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、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，以满足传感器基本性能要求。材

12、料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。 1. 工作气隙工作气隙 工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器工作气隙大，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。器输出特性非线性。 为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必须在为了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，尽量保证足够大的窗口面积和所需加工安

13、装精度的前提下，尽量减小工作气隙减小工作气隙d。工作气隙宽度。工作气隙宽度l也和传感器的灵敏度、线性也和传感器的灵敏度、线性度有关。度有关。l越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此一般取重量就较大，因此一般取d/ /l1/41/4。1. 工作气隙工作气隙 2. 永久磁铁永久磁铁 永久磁铁由永磁合金材料制成，是提供工作气隙磁能的能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矫顽力、剩余磁感应强度和最大磁能积矫顽力、剩余

14、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，。为了提高传感器的灵敏度，应选用具有较大磁能积的永磁合金。应选用具有较大磁能积的永磁合金。 常用的永磁合金有在强磁场中铸造的铝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，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。感应强度，其稳定性高，使用最为广泛。3线圈组件线圈组件 线圈组件由线圈和线圈骨架组成。一般线圈骨架由金属，线圈组件由

15、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较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加，所以必须采要求较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加，所以必须采用其它阻尼器。用其它阻尼器。 这时线圈骨架由非金属，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。 当线圈组件在工作气隙中相对于永久磁铁运动时，要当线圈组件在工作气隙中相对于永久磁铁运动时，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保证两者间没有摩擦。除此之外，还

16、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。范围内。3线圈组件线圈组件 在精度较高的传感器中，线圈中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作感应电流产生的磁场对恒定磁场的作用（称为线圈磁场效应）是不能忽略用（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联而加以补偿。当环境温度变化较大时时, , 传感器的温度误差较大，必须加传感器的温度误差较大，必须加以温度补偿。以温度补偿。(1)(1)动圈式振动速度传感器动圈

17、式振动速度传感器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、圆形阻尼器用心轴心轴6、工作线圈、工作线圈7、壳体、壳体9、引线、引线 它属于动圈式恒定磁通型。其结构原理图如图它属于动圈式恒定磁通型。其结构原理图如图5-3所示，永所示，永久磁铁久磁铁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，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，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工作线圈右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形，左气

18、隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器阻尼器2。工作线圈和圆环形阻尼器用心轴。工作线圈和圆环形阻尼器用心轴5连在一起组成质量连在一起组成质量块，用圆形弹簧片块，用圆形弹簧片1和和8支承在壳体上。支承在壳体上。 将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳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

19、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。 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。 该传该传感器测量的是振动速度参数感器测量的是振动速度参数, , 若在测量电路中接入若在测量电路中接入积分电路积分电路, , 则输出电势与位移成正比则输出

20、电势与位移成正比; ; 若在测量电若在测量电路中接入微分电路路中接入微分电路, , 则其输出与加速度成正比。则其输出与加速度成正比。（2）磁电感应式转速传感器）磁电感应式转速传感器 图图5-4是一种磁电感应式转是一种磁电感应式转速传感器的结构原理图。转子速传感器的结构原理图。转子2与转轴与转轴1固紧。转子固紧。转子2和定子和定子5都用工业纯铁制成，它们和永都用工业纯铁制成，它们和永久磁铁久磁铁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的环形端面上都均匀地铣了一些齿和槽，两者的齿、地铣了一些齿和槽，两者的齿、槽数对应相等。槽数对应相等。 测量转速时，传感器的转轴测量

21、转速时，传感器的转轴1与被测物转轴相连接，因而带动转与被测物转轴相连接，因而带动转子子2转动。当转子转动。当转子2的齿与定子的齿与定子5的的齿相对时，气隙最小，磁路系统的齿相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大。而齿与槽相对时，气隙磁通最大。而齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。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转动转动时，磁通就周期性地变化，从而在时，磁通就周期性地变化，从而在线圈线圈4中感应出近似正弦波的电压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。信号，其频率与转速成正比关系。 （2）磁电感应式转速传感器）磁电感应式转速传感器 n:被测物转速被测物转速

22、(r/min); N:定子或转子端面的齿数。定子或转子端面的齿数。 它属于变磁通式，结构它属于变磁通式，结构示意图如图示意图如图5-5所示。转子所示。转子（包括线圈）固定在传感器（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）固轴上，定子（永久磁铁）固定在传感器外壳上。转子、定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和定子上都有一一对应的齿和槽。槽。 （3）磁电感应式扭矩仪）磁电感应式扭矩仪 测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴分别固定在被测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴分别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，另一个传感器的定子槽与其转子齿相对。当齿与其转子齿相对，另一