常用传感器的工作原理教学PPT磁电式传感器.ppt

第3章常用传感器的工作原理 3 6磁电式传感器3 6 1动圈式磁电传感器3 6 2磁阻式磁电传感器3 6 3磁电传感器的测量电路 内容提要 学习目标 掌握磁电传感器的工作原理 了解磁电传感器的测量转换电路 概述 磁电传感器又称磁电感应式传感器 是利用电磁感应原理将被测量 如振动 位移 转速等 转换成电信号的一种传感器 它不需要辅助电源 就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号 是一种典型的有源传感器 输出功率大 且性能稳定 可简化二次仪表 但频率响应低 通常在10 1000hz的频带作机械振动测量 转速测量 传感器尺寸大 重 概述 根据法拉第电磁感应定律 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 线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量 的变化率 即 磁电传感器是以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础的 工作原理 工作原理 一 磁电式传感器的结构 磁路系统 产生一个恒定的直流磁场线圈 与磁场中的磁通相交 产生感应电动势运动机构 感受被测体的运动使线圈磁通发生变化 结构 二 磁电传感器的分类按照磁场方式分 磁电传感器可分为恒磁通式和变磁通式 在恒磁通结构中 磁路系统产生恒定磁场 感应电动式是由线圈和永久磁铁直接相对运动 切割磁力线产生 运动部件可以是磁铁也可以是线圈 在变磁通结构中 线圈和永久磁铁均固定不动 与被测物体连接而运动的部分是利用导磁材料制成的动铁心 衔铁 衔铁运动使得气隙和磁路磁阻变化 分类 恒磁通动圈式 特点 永磁铁固定不动 线圈运动 3 6 1动圈式磁电传感器 恒磁通动铁式 特点 线圈固定不动 永磁铁运动 工作原理 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 当振动频率很高 高于传感器固有频率 运动部件由于惯性 来不及振动 几乎不动 振动能量全被弹簧吸收 永磁铁和线圈的相对运动就接近于振动物体的振动速度 线圈和磁铁的相对运动切割磁力线产生感应电动势 3 6 1动圈式磁电传感器 当线圈在磁场中做直线运动时 感应电动势可写为 当线圈在磁场中作旋转运动时 感应电动势可写为 式中 s 每匝线圈的平均截面积 m2 d dt 线圈和磁电间相对运动的角速度 rad s 式中 l 每匝线圈的平均长度 m b 线圈所在磁场的磁感应强度 t dx dt 线圈和磁铁间相对直线运动的线速度 m s 3 6 1动圈式磁电传感器 结论 当传感器的结构参数确定后 其中b l n s均为定值 则感应电动势e与线圈对磁场的相对运动速度 线速度或角速度 成正比 所以 可用磁电感应式传感器测量线速度和角速度 对测得的速度进行积分或微分就可以求出位移和加速度 但由上述工作原理可知 磁电感应式传感器只适用于动态测量 3 6 1动圈式磁电传感器 开磁路变磁通式 工作原理 线圈 齿轮静止不动 测量齿轮安装在被测转体上 随被测体一起转动 每转一个齿 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次 磁通也就变化一次 线圈产生感应电动势 其变化频率f取决于齿轮的齿数z和转速n 单位为r min 它们的关系为f nz 60 特点 结构简单 输出信号较小 因平衡和安全问题而不宜测量高转速 3 6 2磁阻式磁电传感器 闭磁路变磁通式 工作原理 传感器的转轴与被测物的轴相连 外齿轮不动 内齿轮随被测轴旋转 当内外齿轮的齿凸凸相对时 气隙最小 磁通最大 当内外齿轮的齿凸凹相对时 气隙最大 磁通最小 内外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化 从而引起磁路中磁通的变化 使线圈内产生周期性变化的感应电动势 感应电势的频率与被测转速成正比 特点 对环境要求不高 工作频率下限较高 可达50hz 上限可达100khz 3 6 2磁阻式磁电传感器 但磁电式传感器是速度传感器 若要获取被测位移或加速度信号 则需要配用积分或微分电路 3 6 3磁电传感器的测量转换电路 磁电式传感器直接输出感应电动势 且传感器通常具有较高的灵敏度 不需要高增益放大器 磁电感应式传感器可用于速度 振动 扭矩 流量等参数的测量 对应的有 1 磁电式振动加速度传感器 2 磁电式转速传感器 3 磁电式扭矩仪 4 磁流量计 所测的流体应具有导电性 蒸馏水以及各种油类都不能使用 3 6 4磁电传感器的应用 振动加速度传感器 飞机振动模态分析 3 6 4磁电传感器的应用 磁电振动式传感器的特点 输出阻抗小对绝缘 放大器的要求不高噪声干扰可忽略体积 重量大 有磨损工作温度不高频率响应不高 以上相对压电式传感器而言 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 工作时 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 3 6 4磁电传感器的应用 3 6 4磁电传感器的应用 转速传感器 3 6 4磁电传感器的应用 磁电感应式扭矩传感器如图所示 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