传感器与检测技术磁电式传感器原理及应用

传感器与检测技术磁电式传感器原理及应用第1页/共39页1．

了解磁电式传感器的工作原理和它的特点。2．

理解变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理和应用。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器主要内容：第2页/共39页概述传感器原理及应用第5章

磁电式传感器

磁电式传感器是利用电磁感应原理，将被测物理量转换成线圈中的感应电动势输出的一种传感器。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出，是典型的有源传感器。适合作机械振动测量、转速测量。但这种传感器尺寸和重量都比较大。磁电式传感器机械能电量第3页/共39页5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理传感器原理及应用第5章

磁电式传感器

它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电动势。根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中产生感应电动势e。e的大小取决于穿过线圈的磁通Φ变化率有关。第4页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器

当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e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；

l

：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(ms-1)。

5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理第5页/共39页

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w旋转，则产生的电动势为

传感器原理及应用第5章

磁电式传感器5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理式中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6页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器5.1.1工作原理第7页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理磁通量Ф的变化实现办法:

磁铁与线圈之间做相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化。第8页/共39页5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理传感器原理及应用第5章

磁电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可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。

恒磁通式变磁通式（a）开磁路（b）闭磁路第9页/共39页5.1磁电感应式传感器5.1.2恒定磁通式结构传感器原理及应用第5章

磁电式传感器动铁型动圈型第10页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器

在动圈式中，永久磁铁4与传感器壳体5固定，线圈3和金属骨架1（合称线圈组件）用柔软弹簧2支承。第11页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器e=-NBlve=-NBSw第12页/共39页e直线式=-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—直线速度；

w—角速度；S—单匝线圈的截面积。

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磁电式传感器由(1)、(2)式可知：

e直线式∝v=dx/dt

e角速度式∝w=dθ/dt

因此，电磁式传感器可直接测量v

和ω。第13页/共39页

在动铁式中，线圈组件（包括件3和件1）与壳体5固定，永久磁铁4用柔软弹簧2支承。两者的阻尼都是由金属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器第14页/共39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。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器第15页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器

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（e/v）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。

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。第16页/共39页5.1磁电感应式传感器（电动式）5.1.3变磁通式结构传感器原理及应用第5章

磁电式传感器第17页/共39页

图(a)为开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,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,且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。

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磁电式传感器n:被测物转速(r/min);N:定子或转子端面的齿数。第18页/共39页

图(b)为闭磁路变磁通式,被测转轴1带动椭圆形测量轮2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，磁通同样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮2的转速n（r·min-1）成正比,即f=n/30。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）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60，其中Z为测量齿轮的齿数。

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磁电式传感器第19页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器二、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。

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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，以满足传感器基本性能要求。

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磁电式传感器第21页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器1.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。第22页/共39页

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，尽量减小工作气隙d。工作气隙宽度l也和传感器的灵敏度、线性度有关。l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d/l≈1/4。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器1.工作气隙第23页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器2.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(BH)m，以及去磁曲线B=f1(H)和磁能积曲线(BH)=f2(B)。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。

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24页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器3．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，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，也有不用骨架的。第25页/共39页

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。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器3．线圈组件

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26页/共39页5.1.4磁电感应式传感器的应用传感器原理及应用第5章

磁电式传感器(1)动圈式振动速度传感器1、8:圆形弹簧片2、圆形阻尼器3、永久磁铁4、铝架5、圆形阻尼器用心轴6、工作线圈7、壳体9、引线第27页/共39页传感器原理及应用第5章

磁电式传感器

它属于动圈式恒定磁通型。其结构原理图如图5-3所示，永久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7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，右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2。工作线圈和圆环形阻尼器用心轴5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。

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磁电式传感器

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。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。

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线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数,若在测量电路中接入积分电路,则输出电势与位移成正比;若在测量电路中接入微分电路,则其输出与加速度成正比。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器第30页/共39页（2）磁电感应式转速传感器

图5-4是一种磁电感应式转速传感器的结构原理图。转子2与转轴1固紧。转子2和定子5都用工业纯铁制成，它们和永久磁铁3组成磁路系统。转子2和定子5的环形端面上都均匀地铣了一些齿和槽，两者的齿、槽数对应相等。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器第31页/共39页

测量转速时，传感器的转轴1与被测物转轴相连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子5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，气隙最大，磁通最小。因此当定子5不动而转子2转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈4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。

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磁电式传感器（2）磁电感应式转速传感器

n:被测物转速(r/min);N:定子或转子端面的齿数。第32页/共39页

它属于变磁通式，结构示意图如图5-5所示。转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和槽。

（3）磁电感应式扭矩仪

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测量扭矩时，需用两个传感器，将它