常用传感器的工作原理教学PPT磁电式传感器

1、传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅第3章 常用传感器的工作原理 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅内容提要内容提要 学习目标学习目标 掌握磁电传感器的工作原理；掌握磁电传感器的工作原理； 了解磁电传感器的

2、测量转换电路。了解磁电传感器的测量转换电路。 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅概述 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅磁电传感器又称磁电感应式传感器，是利用磁电传感器又称磁电感应式传感器，是利用电磁感应

3、原电磁感应原 理理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的 一种传感器。一种传感器。 它不需要辅助电源，就能把被测对象的它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易机械能转换成易 于测量的电信号于测量的电信号，是一种典型的有源传感器。，是一种典型的有源传感器。 输出功率大输出功率大，且性能稳定，可简化二次仪表，但，且性能稳定，可简化二次仪表，但频率响频率响 应低应低，通常在，通常在10101000 hz1000 hz的频带作机械振动测量，转速的频带作机械振动测量，转速 测量，传感器尺寸大，重。测量，传感器尺寸大，重。 概述 磁电式传感器

4、机械能机械能 电电 量量 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅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 d en d t 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 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅 13

5、864138512 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅磁通变化率与磁场强度磁场强度、磁路磁阻磁路磁阻、线圈的运动速度线圈的运动速度 有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应 电动势。 d en dt 工作原理 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅一、磁电式传感器的结构 磁路系统：产生一个恒定的直流磁场磁路系统：产生

6、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运动机构：感受被测体的运动使线圈磁通发生变化 结构 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅二、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。 恒磁通式恒磁通式 动圈式动圈式 动铁式动铁式 变磁通式变磁通式 开磁路式开磁路式 闭磁路式闭

7、磁路式 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 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅恒磁通动圈式 特点：永磁铁固定不动，线圈运动。 传感器与检测技术传感器与检测技术 信

8、息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅恒磁通动铁式 特点：线圈固定不动，永磁铁运动。 工作原理：工作原理： 当壳体随被测振动体一起当壳体随被测振动体一起 振动时，由于弹簧较软，运动振动时，由于弹簧较软，运动 部件质量相对较大，当振动频部件质量相对较大，当振动频 率很高，高于传感器固有频率，率很高，高于传感器固有频率， 运动部件由于惯性，来不及振运动部件由于惯性，来不及振 动，几乎不动，振动能量全被动，几乎不动，振动能量全被 弹簧吸收，永磁

9、铁和线圈的相弹簧吸收，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速度。线圈和磁铁的相对运 动切割磁力线产生感应电动势。动切割磁力线产生感应电动势。 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅当线圈在磁场中做直线运动时，感应电动势可写为：当线圈在磁场中做直线运动时，感应电动势可写为： ( ) dx enblv dt 当线圈在磁场中作旋转运动时，感应电动

10、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： ( ) d enbsv dt 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） 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅结论：结论： 当传感器的结构参数确定后，其中当传感器的结构

11、参数确定后，其中b、l 、 n、s均为定值，则感应电动势均为定值，则感应电动势e e与线圈对磁场与线圈对磁场 的相对运动速度（线速度或角速度）成正比。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所以，可用磁电感应式传感器测量线速度和角线速度和角 速度速度。对测得的速度进行积分或微分就可以求。对测得的速度进行积分或微分就可以求 出出位移和加速度位移和加速度。但由上述工作原理可知，磁。但由上述工作原理可知，磁 电感应式传感器电感应式传感器只适用于动态测量。只适用于动态测量。 ( ) dxd enblnbsv dtdt 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程

12、学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅开磁路变磁通式 齿齿 轮轮 壳壳 体体 永永 久久 磁磁 铁铁 线线 圈圈 工作原理：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，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， 其变化频率其变化频率f 取决于

13、齿轮的齿数取决于齿轮的齿数z和转速和转速n(单位为单位为r/min)，它们的关系为，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。 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅闭磁路变磁通式 永久磁铁永久磁铁 转轴转轴 外齿轮外齿轮 感应线圈感应线圈 内齿轮内齿轮 外齿轮外齿轮 内齿轮内齿轮 工作原理：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

14、被测轴旋转，当内外齿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 轮的轮的齿凸凸相对齿凸凸相对时，时，气隙最小气隙最小，磁通最大磁通最大；当内外齿轮的；当内外齿轮的齿凸凹相对齿凸凹相对时，时，气隙最大气隙最大， 磁通最小磁通最小；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；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。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

15、100khz。 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅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。 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检

16、测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅磁电感应式传感器可用于速度、振动、扭矩、流量等参数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。的测量。 对应的有对应的有 （1）磁电式振动加速度传感器）磁电式振动加速度传感器 （2）磁电式转速传感器）磁电式转速传感器 （3）磁电式扭矩仪）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）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）油类都不能使用） 3.6.4磁电传感器的应用 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程

17、学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅振动加速度传感器 飞机振动模态分析飞机振动模态分析 3.6.4磁电传感器的应用 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅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 （

18、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、弹簧阻信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻 尼等部分组成。尼等部分组成。 工作时，将传感器安装在机器上，在机器振工作时，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。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与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位 移量的大小。移量的大小。 3.6.4磁电传感器的应用 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅3.6.4磁电传感器的应用 转速传感器 传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅传感器与检测技术传感器与检测技术 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 孙孙 毅毅3.6.4磁电传感器的应用 传感器与检测技术