05磁电式传感器.ppt

第5章磁电传感器，第2章，第5章磁电传感器磁电传感器是利用电磁感应原理将输入运动速度转换为感应电势输出的传感器。它可以将被测物体的机械能转换成电信号，无需辅助电源，易于测量，是一种主动传感器。磁电传感器有时被称为电传感器或电感传感器，它们仅适用于动态测量。由于其输出功率大，匹配电路相对简单。零位和稳定的性能；工作频带一般为10 10 1000赫兹。第1节基本原理和结构类型第3节第5章磁电传感器磁电传感器具有双向转换特性，可通过其逆转换效应形成力(力矩)发生器和电磁激振器。根据电磁感应定律，当W匝线圈在均匀磁场中运动时，如果通过线圈的磁通量为，则线圈中的感应电势E与磁通量D /dt的变化率有如下关系：(5-1)。根据这一原理，它可以设计成可变磁通型和恒定磁通型两种结构类型，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图5.1示出了分别用于测量旋转角速度和振动速度的可变磁通量型结构。，4，第5章磁电传感器，图5.1可变磁通结构(a)旋转(可变磁)；(b)平移型(可变气隙)，5，第5章磁电传感器，其中永磁体1(通常称为“磁钢”)和线圈4都是固定的。动铁芯3(电枢)的运动改变了气隙5和磁路的磁阻，导致磁通量变化，从而在线圈中产生感应电势，因此也称为可变磁阻结构。在恒定磁通结构中，工作气隙中的磁通量是恒定的，并且由于永磁体和切割磁力线的线圈之间的相对运动而产生感应电势。有两种类型的结构，如图5-2所示。图5.2恒定磁通结构(a)移动线圈类型；(b)动铁式，第5章磁电传感器，第7章磁电传感器，图中的磁路系统由圆柱形永磁体和极掌、圆柱形磁轭和气隙组成。气隙中的磁场分布均匀，测量线圈缠绕在圆柱形框架上，通过膜片弹簧悬浮在气隙磁场中。当线圈和磁体之间存在相对运动时，线圈中产生的感应电势e为(5-2)，其中B气隙磁通密度(t)；线圈的总长度(m)与l气隙磁场中的有效匝数w是l=定律(la是线圈每匝的平均长度)以及v线圈和磁体在轴向上的相对运动速度(ms-1)。第五章磁电传感器当传感器的结构确定后，方程(5-2)中的B、la和W为常数，感应电势E只与相对速度v有关。为了提高传感器的灵敏度，应选择磁能积较大、气隙长度尽可能小的永磁体，以提高气隙磁通密度B；增加镧和钨也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内阻和工作频率的限制。为了确保传感器输出的线性，线圈必须始终在均匀的磁场中运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和尺寸，以满足传感器的基本性能要求。(5-3)，9，第5章磁电传感器，I .传递矩阵I .机械阻抗图5.3(a)所示的单自由度机械振动系统质量为M，弹簧刚度为K，阻尼系数为c。假设在力f的作用下产生的振动速度和位移分别为v ()和x，则第二磁电传感器部分(5-4)，10和由电阻r组成的串联电路的力平衡方程、传递矩阵和动态特性。 电感l和电容c如图5.3(b)所示，电源电压为u，回路电流为I，电荷为q。由此我们可以列出电压平衡方程的两个微分方程。 虽然机电内容不同，但形式相同。因此第5章磁电传感器(5-5) 11图5.3一对相似系统(一)单自由度机械振动系统；(b)RLC串联电路，第5章磁电传感器，第12章磁电传感器，第5章磁电传感器，电路中有电阻抗，它是连接电流和电压的一个参数，可以假定，如同电路中的电阻抗一样，机械系统被假定为具有“机械阻抗”ZM。类似于电气系统，它可以从等式(5-4)和等式(5-6)获得。可以看出，ZM是一个参数，它将机械系统中某一点的运动响应与引起该运动的力联系起来。由此可以得出线性机械系统作为简谐运动的机械阻抗定义为：机械阻抗ZM(复数)=激励力(复数)/运动响应(复数)，(5-7)，13，第5章磁电传感器。利用机械阻抗的概念分析机械系统的动态特性，无需求解微分方程，用简单的代数方法即可得到描述动态特性的传递函数。(ii)传递矩阵在图5.2所示的传感器中，作用在运动部件(质量)上的力是：弹簧力、阻尼力、惯性力、电磁力，第5章磁电传感器。质量上的力的平衡方程从力平衡关系、机械阻抗定义和(5-6)中获得，当振动体的振动速度为v0，质量速度为Vm，并且传感器壳体和质量之间的相对运动速度为Vt(Vt=v0-Vm)时，使得被测体的运动速度由磁电传感器(5-8)、15和第5章确定。将方程(5-6)代入方程(5-8)， 有一对磁电传感器，其传感器常数为、(5-9)、16、第5章磁电传感器，假设线圈电感为l，内阻为r，则ze=r jl。 如果传感器连接到测量电路的输入端，电路的输入阻抗就是传感器负载阻抗Ze0，通常为Ze0。由于传感器用于测量，电源e位于电气端，e=ize0。因此，实际磁电传感器的传递矩阵为(5-10)或(17)，也可扩展为第5章磁电传感器，(5-11)，ii。动态特性可通过将上述(5-11)代入第一个公式获得，并且可获得传感器的频率传递函数，18，第5章磁电传感器，(5-12)。由于传感器的固有角频率为，公式(5-12)可改写为，19，第5章磁电传感器，(5-13)，上述公式为复数形式，其频率响应特性如图5.4所示。在图中，S是传感器灵敏度与频率的函数关系。传感器是否恒定。20，第5章磁电传感器，图5.4磁电传感器的频率响应特性，21，第5章磁电传感器，当传感器用作电压输出时，一般来说，因此，方程(5-13)可以简化为，(5-14)，并且可以从方程(5-14)和图5.4中看出：(1)。当被测振动体的振动频率低于传感器的固有频率，即(/) 1时，传感器的灵敏度随频率变化而明显变化。22，第5章磁电传感器，(2)。当被测物体的振动频率远高于传感器的固有频率时，灵敏度接近一个常数，该常数基本上不随频率而变化。在这个频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比。该频带是传感器的工作频带，或频率响应范围。在这种情况下，传感器可以被视为理想的速度传感器。(3)。当频率较高时，由于线圈阻抗的增加，灵敏度也会随着频率的增加而降低。必须指出，以上是针对惯性磁电传感器的。对于动圈与测量杆固定连接的直接磁电式传感器，其上限工作频率取决于传感器的弹性刚度K值。一般来说，直接传感器的频率响应范围可以从零到几百赫兹，最高可达10千赫兹。磁电传感器的误差和非线性误差第3节：传感器线圈输出电流变化产生的附加磁通量叠加在永磁体上，导致气隙磁通量变化温度误差：线圈电阻率变化导致磁阻变化永磁体稳定性，第24节，第5章磁导第4节磁电传感器的应用，第25节，第5章磁电传感器，(1)。振动测量传感器的应用磁电传感器可用于航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种油气管道、桥梁、高层建筑等的振动监测和研究。(2)从图5.3可以看出振动传感器的工作特性。振动传感器是一个典型的二阶系统，具有集中的参数M、K和c。作为一个惯性(绝对)振动传感器，需要选择一个较大的质量M和一个较小的弹簧常数K。这样，在较高的振动频率下，质量由于其较大的惯性而近似相对静止。此时，振动器(与传感器外壳相同)相对于质量的位移Y(输出)真实地反映了振动器相对于地球的振幅X(输入)。第五章磁电传感器2。磁电式力发生器和励磁机之前已经指出，磁电式传感器具有双向转换特性，它们的反向功能也可以使用。如果一个电量输入到速度传感器的线圈中，输出就是机械量。惯性仪表陀螺仪和加速度计中广泛使用的动圈式或动铁式DC力矩器是上述速度传感器的逆应用。它是机械结构动态实验