chap7磁电式传感器课件

第七章磁电式传感器磁电式传感器的基本工作原理磁电式振动传感器设计基础磁电式传感器的应用主要内容：1§7.1概述基本原理：利用电磁感应原理，将输入(运动速度)转换成线圈中感应电动势输出的传感器。特点：有源传感器：不需要提供电源;具有双向转换特性;具有较大的输出功率;只适用于动态测量。2工作原理由电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈的感应电动势e为：3两种基本类型恒定磁通式：工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。变磁通式：磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产生，如图示转速测量：1一永久磁铁2一软磁铁3一感应线圈4一测量齿轮56被测物SN§7.2磁电式振动传感器一、工作原理与动态特性壳体线圈永久磁铁弹簧7动圈式传感器用于振动测试9构成永久磁铁:产生磁场线圈：感生出电动势弹簧：弹性恢复阻尼器电磁阻尼：线圈金属骨架在磁场中运动，产生感应涡流，而受到反方向的作用力。空气阻尼：壳体:提供闭合磁路、磁屏蔽mckx0xm动态特性分析—二阶系统表示10注意：位移符号与书上不同！1113若振动体作简谐振动，将D=j代入：振幅比：14频率特性：当＝0时：当＝0时：当>>0时：15质量体受力（力传感器）17基座受力（运动传感器）18测力传感器00.11.04.01.00.12.0＝10520.70.50.2测振动19例题1：设计一个磁电式振动速度传感器，要求振动频率为50Hz时，最大振幅误差不超过5％，

＝0.6，求传感器的固有频率及输出的相位。解：当>>0时，<0.707,会出现共振峰。21解续：无解。0.951.051xt/x0f/f022解续：解得：23二、结构特点动铁式：线圈组件与传感器壳体固定，永久磁铁用柔软的弹簧支撑，又称惯性式。动圈式：永久磁铁与传感器壳体固定，线圈组件用柔软的弹簧支撑。与动铁式相比，惯性质量小，增加阻尼比。直接式壳体固定于惯性系统部件，其顶杆与另一部件表面接触。25某型动铁式振动传感器结构26

属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量。实物：振动速度传感器27动圈式演示29动圈式振动传感器结构弹簧片阻尼杯磁钢芯轴壳体线圈引线301—弹簧

;2—壳体;

3—阻尼环;4—磁钢;5—线圈;6—芯轴在测振时，传感器固定或紧压于被测物体，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动。装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。动圈式传感器结构：311—顶杆

2—弹簧片

3—磁钢

4—线圈

5—引出线

6—壳体用途：用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度。直接式振动传感器连接方式：壳体固定于一部件上，线圈与顶杆相对固定，而顶杆与另一部件相接触，依靠弹簧片回复原位。当两部件相对运动时，使线圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势。32§7.3设计基础磁电传感器的基本组成磁铁设计材料（永磁合金）尺寸工作点磁路系统线圈永久磁铁导磁壳体弹簧阻尼器33一、材料选择低剩磁Br、高矫顽力Hc材料：镍铬合金、铁氧体，适用于磁路短、工作气隙大的情况，能得到较大的气隙磁感应强度，传感器磁场稳定。高剩磁Br、低矫顽力Hc材料：镍钢、钴钢、铬钢，适用于磁路长、工作气隙小的情况，能得到较大的气隙磁感应强度，结构为细长，传感器磁场不稳定。34二、磁路计算矫顽力Hc：剩余磁感应强度Br：最大磁能积(BH)m：HBBrHc35永久磁铁的工作点HB0ABDO’确定原则：使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上，此时磁铁体积最小。磁导线36永久磁铁的尺寸由工作点D（B、H）值计算磁铁尺寸：由磁通连续性定理：SNδ磁路基尔霍夫第一定律：37永久磁铁的尺寸磁路工作点的正切角为：在确定好磁铁的截面积后，可以确定磁铁的长度。38永久磁铁的尺寸磁铁的体积：39工作气隙设计1）保证线圈窗口面积容纳足够的线圈匝数；2）保证均匀而较强的气隙磁场；3）气隙深度lg大于4倍的气隙宽度δ。Bδlg40三、线圈组件（骨架、线圈绕组）设计保证线圈在气隙中活动自如，有：lg：气隙深度；lp：振动位移的峰峰值。LD1D2D3th线圈骨架41线圈组件（骨架、线圈绕组）设计f1：有效利用系数，f1=0.95；dw：带绝缘层导线直径；h：线圈厚度；f2：填充系数(>1)；LD1D2D3th42§7.4参数设计一、固有频率的确定43Conclusions：1）为了保证精度，要求：/

0>32）为了改善低频响应性能，可以采取的措施：K↓、m↑→

0↓注意：K↓→静挠度↑,m↑→传感器变重3）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度；4）合理选择固有频率。44弹簧刚度计算两弹簧选择原则：使质量块处于中间位置。弹簧刚度：垂直放置：下面刚度的大，上面的小。45阻尼系数计算电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）：金属骨架在磁场中作相对运动并切割磁力线时，感生涡流并受到磁场力的作用，力的方向与运动方向相反。46阻尼器阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰，改善频率响应特性，提高测试精度。阻尼系数与阻尼比的关系为：理想的阻尼比为：47阻尼器阻尼器电磁阻尼器空气阻尼器金属杯阻尼器Dcp:金属杯平均直径；lg:气隙深度；t:金属杯的壁厚；:金属材料的电阻率。48空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）49§7.5应用磁电式振动传感器的特点：1）输出阻抗小；2）对绝缘、放大器的要求不高；3）信号强，噪声干扰可忽略；4）体积、重量大，有磨损；5）工作温度不高（<120°C)；6）频率响应不高(10~2000Hz)。（以上相对压电式而言）50监测振动51飞机地面振动实验系统原理方框图52飞机振动模态分析53逆向应用---电动激振器54转速测量55磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示。当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号u0。由于感应电压与磁通φ的变化率成比例，即

(W是线圈匝数）故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。56扭矩测量12测量仪表ut57如图(

磁电感应式扭矩传感器)所示，在转轴上固定两个齿轮1和2，它们的材质、尺寸、齿形和齿数均相同。永久磁铁和线圈组成的磁电式检测头3和4对着齿顶安装。当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。转轴承受扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。58本章要点1）磁电式传感器（振动传感器）的工作原理2）结构特点结构组成：永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（电磁阻尼：金属骨架在磁场中运动产生、空气阻尼）、壳体结构形式：动圈式、动铁式3）二阶系统表示：4）典型应用：振动监测、转速、扭距测量59作业：7－3，7－560用导磁材料制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，使线圈产生感应电动势。磁阻式转速传感器有两种：1.开磁路

开磁路结构简单，空气磁阻大。