5磁电式传感器.ppt

磁电式传感器 动圈式或动铁式磁电传感器 磁阻式磁电传感器 基于电磁感应原理工作的转换元件称为磁电式转换元件 用其构成的传感器称磁电式传感器 也称电磁感应传感器或电动式传感器 根据电磁感应定律 当w匝线圈在均恒磁场内运动时 穿过线圈的磁通变化率d dt与线圈的感应电势E的关系为 一 磁电式传感器的工作原理 显然 在电磁感应现象中 磁通量的变化是产生感应电势的关键 磁通量的变化可以通过许多方法实现 在实际工作中 常采用线圈与磁铁之间相对往复运动的方式而制成动圈式或者是动铁式磁电转换元件 采用磁路中磁阻变化的方式制成磁阻式磁电转换元件 二 恒磁通式磁电传感器典型的恒磁通式磁电传感器结构由永久磁铁 线圈 弹簧 金属骨架等组成 磁路系统产生恒定的直流磁场 磁路中的工作气隙固定不变 因而气隙中磁通也是恒定不变的 其运动部件可以是线圈 动圈式 如图 a 所示 也可以是磁铁 动铁式 如图 b 所示 一 动圈和动铁式传感器的工作原理 对于有效匝数为W的线圈 在线圈中产生的感应电动势为 e W d dt W B dA sin dt W B sin ldy dt W B l vy sin 式中vy 敏感轴 y轴 方向线圈相对于磁场的速度 m s 单匝线圈的有效长度为l dt时间内的位移是dy 则面积dA ldy上磁通量的变化为 d B dA sin 式中 B 为磁场的磁感应强度 1 线位移式 1 线圈在磁场中的运动方向与磁场方向成 角 单匝线圈产生的感应电势为 de d dt 2 线圈在磁场中的运动方向与磁场方向垂直时e W B l v 对于有效匝数为W的线圈 在线圈中产生的感应电动势为 e W d dt W B A sin d dt W B A sin 式中 线圈转动的角频率 线圈法线方向与磁场方向的夹角 可见 转换元件结构中 基本环节有两个 1 磁路系统 由它产生恒定磁场 为减小转换元件体积 一般采用永久碰铁 2 线圈 由它运动切割磁力线产生感应电势 同时 作为一个完整的转换元件 还要有其它元部件 如支承 阻尼器等 2 角速度 角速度型动圈式传感器的结构如下图所示 当 90 上式可写成 e W B A 线圈法线方向与磁场方向的夹角为 当线圈在磁场中转动时单匝线圈产生的磁通量的变化量为 d B A sin d 式中A 单匝线圈的截面积 m2 二 磁电式传感器的测量电路 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 下图为一般测量电路方框图 线圈等效阻抗Zo r j L 式中r约为300 2000 L为数百毫亨电缆电阻 RC 0 03 m 电缆的分布电容 CC 70pF m相对来说 RC可以忽略 这时等效电路的输出电压为 若电缆不长 则CC 可以忽略 又若R1 Z0 则上式可简化为e1 e 动圈磁电式传感器的等效电路 感应电动势 负载电阻 永磁铁2用铝架4固定在壳体6中 借助壳体导磁性 形成磁路 在磁路中有两个环形气隙 中心轴5穿过永磁铁2的中心孔 并由弹簧片1和8支承在壳体上 中心轴5的一端固定着一个工作线圈7 而另一端固定阻尼环3 测试中 依据参考坐标 将传感器分为相对式和绝对式 又称惯性式 两类 动圈式磁电传感器也分为相对式和绝对式两个类型 三 动圈式磁电传感器 相对式测振传感器 选取空间某一点 静态或动态 为参考点 测量被测体相对于参考点的振动 绝对式测振传感器 以大地为参考 测量被测体相对大地的振动 1 绝对式动圈磁电传感器 如下图所示 这种传感器的惯性元件 质量块 是线圈组件7 阻尼环3和中心轴5 而不是永磁铁2 使用时 把振动传感器与被测振动体固紧在一起 当振动体振动时 壳体也随之振动 此时线圈 阻尼器和心杆的整体由于惯性关系 并不随它振动 因此它与壳体就产生相对运动 亦即使工作线圈7在环形气隙中运动 从而切割磁力线产生了感应电势 该电势通过接头接到测量电路 绝对式速度传感器动态特性分析a 为实现不失真测量 幅频特性应为常值传感器的使用频率范围分析一般采用 0 6 0 7的阻尼比 若取阻尼比 0 707 如要求测量误差 5 则测量的频率范围一般约 1 7 2 n b 引进阻尼虽然改善了谐振频率附近接收灵敏度曲线的平坦度 但阻尼也增加了相移一般采用 0 6 0 7的阻尼比 c 为扩展传感器的工作频率范围 设计中应使速度传感器的固有频率 n做得尽可能低 目前常用速度传感器的工作频率下限一般为 10 15 Hz左右 2 相对式动圈磁电传感器 1 工作原理 下图为相对式磁电传感器的原理图 它由测杆 弹簧和机电转换器组成 测量时 传感器固定在参考物体上 测杆端头顶在被测振动的物体上 被测物体的振动使测杆跟随振动 和测杆相连的机电转换器将此振动量变换为电量 这种式传感器的可动部分由顶杆1和线圈4组成 磁铁3和导磁体6固定在一起不动 组成磁路 2 相对式动圈磁电传感器 如下图所示 这种传感器适合于测量两构件间的相对运动 需注意 测杆 顶杆 须始终保持与振动试件相接触 因此要求顶杆组件种弹簧片所产生的预应力能克服组件的惯性力 实际使用时 如将传感器固定在相对不动的参考系上 顶杆顶在振动物体上 给弹簧片一定的预压力 当物体振动时 顶杆在弹簧恢复力的作用下将跟随振动物体一起振动 和顶杆一起运动的线圈也就跟随振动物体而振动 线圈与磁铁之间就有了相对运动 其相对运动速度等于振动物体的振动速度 线圈以相对速度切割磁力线 产生正比于振动速度的感应电势 可分为开磁路和闭磁路两种变磁通式 这种传感器结构简单 但输出信号较小 不宜测量高转速 一 开磁路变磁通式 如上图所示 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 三 变磁通式磁电传感器 磁阻式传感器 这种传感器由永磁体及在其上绕制的线圈组成 其线圈和磁铁固定不动 通过运动物体 导磁材料 的运动来影响传感器磁路的磁阻 从而引起磁场的强弱变化 使线圈产生感应电势 特点 结构简单 使用方便 2 磁阻式传感器工作原理 线圈与磁铁固定不动 由