磁电式传感器

1、第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 1 第七章第七章 磁电式传感器磁电式传感器 磁磁电式传感器的基本工作原理电式传感器的基本工作原理 磁电式振动传感器磁电式振动传感器 磁磁电式传感器设计基础电式传感器设计基础 磁磁电式传感器的应用电式传感器的应用 主要内容：主要内容： 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 2 7.1 概述概述 基本原理：基本原理： 利用电磁感应原理，将输入利用电磁感应原理，将输入(运动速度运动速度)转换转换 成线圈中感应电动势输出的传感器。成线圈中感应电动势输出的传感器。 特点：特点： 有源传感器：不需要激励电源有源传感器：不需要激励电源;

2、具有机电双向转换特性具有机电双向转换特性; 具有较大的输出功率具有较大的输出功率; 只适于动态测量。只适于动态测量。 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 3 工作原理工作原理 由电磁感应定律，当由电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运动时，匝线圈在均恒磁场中运动时， 设穿过线圈的磁通为设穿过线圈的磁通为，则线圈的感应电动势，则线圈的感应电动势e为为： dt d We 导线在恒定磁场中导线在恒定磁场中 作直线运动，并切作直线运动，并切 割磁力线，感生电割磁力线，感生电 势为：势为： sinsinWBlv dt dx WBle ：导线运动方向与磁场方向之间的夹角；：导线运动方向与

3、磁场方向之间的夹角； 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 4 线圈在恒定磁场中作直线运动，感生电势为：线圈在恒定磁场中作直线运动，感生电势为： sinsinWBlv dt dx WBle B：磁场磁感应强度；：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度 ：线圈运动方向与磁场方向之间的夹角；线圈运动方向与磁场方向之间的夹角； v:线圈与磁场之间的相对运动速度，线圈与磁场之间的相对运动速度，m/s 线圈相对磁场旋转并切割磁力线，感生电势为：线圈相对磁场旋转并切割磁力线，感生电势为： )sin(sinWBS dt d WBSe S：每匝线圈的围成的面积：每匝线圈的围成

4、的面积 ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角；线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角； :线圈与磁场之间的相对运动角速度线圈与磁场之间的相对运动角速度 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 5 两种基本类型两种基本类型 恒定磁通式：恒定磁通式： 工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线 圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。 变磁通式：变磁通式： 磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产 生，如下图所示的转速测量。生，如下图所示的转速测量。 1一永久磁铁一永久磁铁

5、2一软磁铁一软磁铁 3一感应线圈一感应线圈 4一测量齿轮一测量齿轮 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 6 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 7 被被 测测 物物 S N 7.2 磁电式振动传感器磁电式振动传感器 一、工作原理与动态特性一、工作原理与动态特性 壳体 线圈 永久磁铁 弹簧 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 8 动铁式振动传感器演示动铁式振动传感器演示 振动非常缓慢时：磁铁随壳体运动；振动非常缓慢时：磁铁随壳体运动； 快速振动时：磁铁相对壳体运动幅度快速振动时：磁铁相对壳体运动幅度 加大，相位相反。加大，相位相反。 第第 七

6、七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 9 动圈式传感器用于振动测试 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 10 1、构成、构成 永久磁铁永久磁铁:产生磁场产生磁场 线圈：感生出电动势线圈：感生出电动势 弹簧：弹性恢复弹簧：弹性恢复 阻尼器阻尼器 电磁阻尼：线圈金电磁阻尼：线圈金 属骨架在磁场中运属骨架在磁场中运 动，产生感应涡流，动，产生感应涡流， 而受到反方向的作而受到反方向的作 用力。用力。 空气阻尼：空气阻尼： 壳体壳体:提供闭合磁路提供闭合磁路、 磁屏蔽磁屏蔽 m c k x 0 x m 动态特性分析动态特性分析 二阶系统表示二阶系统表示 第第 七七 章章 磁磁

7、 电电 式式 传传 感感 器器 11 注意：位移符号与书上不同！注意：位移符号与书上不同！ 1001 yyy 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 12 设：设：x0-振动体的绝对位移；振动体的绝对位移；xm-质量块的绝对位移质量块的绝对位移 0 xxx mt t tm xk dt dx c dt xd m 2 2 )()( 00 2 2 xxkxx dt d c dt xd m mm m 运动正方向向上，所有力（包括惯性力）假设正方运动正方向向上，所有力（包括惯性力）假设正方 向向上，根据力平衡原理，有：向向上，根据力平衡原理，有： dt d D 令 0 2 )()(xkcD

8、xkcDmD m 则： 质量块相对于外壳（或被测物）的位移：质量块相对于外壳（或被测物）的位移： 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 13 kcDmD kcD D x xm 2 0 )(传递函数： kcDmD mD x xx D x x mt 2 2 0 0 0 )(即： 0 2 )()(xkcDxkcDmD m 则： 2 00 2 2 0 2 )( DD D D x xt mk c 2 m k 0 令：令： 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 14 2 00 2 2 0 2 )( DD D D x xt 若振动体作简谐振动，将若振动体作简谐振动，将D=j

9、代入：代入： 0 2 0 2 0 0 21 )( j j x xt 得： 振幅比：振幅比： 2 0 2 2 0 2 0 0 21 )( ）（）（ x x t 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 15 2 0 2 2 0 2 0 0 21 )( ）（）（ x x t 2 0 0 1 )(1 )(2 tg相位滞后： 频率特性：频率特性： 当当 0时：时： 0 0 x xt 0 90 当当 0时：时： 2 1 0 x xt 0 0 当当 0时：时： 1 0 x xt 0 180 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 16 0 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传

10、 感感 器器 17 质量体受力（力传感器）质量体受力（力传感器） 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 18 基座受力（运动传感器）基座受力（运动传感器） 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 19 测力传感器测力传感器 00.11.04.0 1.0 0.1 2.0 105 2 0.7 0.5 0.2 测振动测振动 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 20 2、讨、讨 论论 1）当）当 3 0 时，时，xt/x0 1 xt x0,m近似看作静止不动近似看作静止不动; =-1800。 2）阻尼比阻尼比 的影响：的影响： 增大增大 （0.7左右），

11、可以减小共振峰，改善低左右），可以减小共振峰，改善低 频响应；频响应； 3）固有频率）固有频率 0的影响：降低的影响：降低 0 ，扩大低频段。，扩大低频段。 4）理想情况，当）理想情况，当 0 线圈中的感应电势：线圈中的感应电势： e=WBlv 灵敏度：灵敏度：s=WBl 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 21 例题例题1：设计一个磁电式振动速度传感器，要求：设计一个磁电式振动速度传感器，要求 振动频率为振动频率为50Hz时，最大振幅误差不超过时，最大振幅误差不超过5， 0.6，求传感器的固有频率及输出的相位。，求传感器的固有频率及输出的相位。 2 0 2 2 0 2 0

12、0 21 )( ）（）（ x x t 解：解： 当当 0时，时，1 0 x xt 1)； L D1 D2 D3 th 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 40 7.4 参数设计参数设计 一、固有频率的确定一、固有频率的确定 m k 0 1）为了保证精度，要求：）为了保证精度，要求： / 03 2）为了改善低频响应性能，可以采取的措施：）为了改善低频响应性能，可以采取的措施： K、m 0 注意：注意：K 静挠度静挠度, m 传感器变重传感器变重 3）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度；）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度； 4）合理选择固有频率。）合理选择固有频率。 第第 七七

13、 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 41 弹簧刚度计算弹簧刚度计算 m k f 2 1 0 21 kkk 两弹簧选择原则：两弹簧选择原则： 使质量块处于中间位置。使质量块处于中间位置。 弹簧刚度：弹簧刚度： 垂直放置：上面弹簧的刚度比下面的小。垂直放置：上面弹簧的刚度比下面的小。 mfK 2 0 2 两个弹簧并联： 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 42 阻尼系数计算阻尼系数计算 电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）：电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）： 金属骨架在磁场中作相对运动并切割磁力线时，感生金属骨架在磁场中作相对运动并切割磁力线时，感生 涡流并受到磁场力的作用，力的方向

14、与运动方向相反涡流并受到磁场力的作用，力的方向与运动方向相反。 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 43 阻尼器阻尼器 阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰，阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰， 改善频率响应特性，提高测试精度。改善频率响应特性，提高测试精度。 0 2 2 2 m c m k m c mk c 阻尼系数与阻尼比的关系为：阻尼系数与阻尼比的关系为： 理想的阻尼比为：理想的阻尼比为： 7.06.0 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 44 阻尼器阻尼器 阻尼器阻尼器 电磁阻尼器电磁阻尼器 空气阻尼器空气阻尼器 金属 杯阻 尼器 1 2 ms

15、N tlBD c gcp Dcp:金属杯平均直径；金属杯平均直径； lg:气隙深度；气隙深度； t: 金属杯的壁厚；金属杯的壁厚； : 金属材料的电阻率。金属材料的电阻率。 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 45 空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼） 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 46 7. 5 应用应用 磁电式振动传感器的特点：磁电式振动传感器的特点： 1）输出阻抗小；）输出阻抗小； 2）对绝缘、放大器的要求不高；）对绝缘、放大器的要求不高； 3）信号强，噪声干扰相对较小，可忽略；）信号强，噪声干扰相对较小，可忽略； 4

16、）体积、重量大，有磨损；）体积、重量大，有磨损； 5）工作温度不高（）工作温度不高（120C)； 6）频率响应不高）频率响应不高(102000Hz)。 （以上相对压电式而言）（以上相对压电式而言） 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 47 监测振动监测振动 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 48 飞机振动模态分析飞机振动模态分析 飞机地面振动飞机地面振动 实验系统原理实验系统原理 方框图方框图 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 49 逆向应用逆向应用-电磁激振器电磁激振器 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 50 逆向

17、应用逆向应用-电磁激振器电磁激振器 功率放大器功率放大器 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 51 逆向应用逆向应用-电磁激振器电磁激振器 在激光切割机、数控剪板机、折弯机等大型设备上振动测试在激光切割机、数控剪板机、折弯机等大型设备上振动测试 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 52 转速测量转速测量 N f n 60 转速： 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 53 磁电感应式转速传感器的结构原理磁电感应式转速传感器的结构原理 如图所示。当安装在被测转轴上的如图所示。当安装在被测转轴上的 齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次齿轮（导磁体）旋转

18、时，其齿依次 通过永久磁铁两磁极间的间隙，从通过永久磁铁两磁极间的间隙，从 而在线圈上感应出频率和幅值均与而在线圈上感应出频率和幅值均与 轴转速成比例的交流电压信号轴转速成比例的交流电压信号u0。 由于感应电压与磁通由于感应电压与磁通的变化率成的变化率成 比例，即比例，即 ( (W是线圈匝数）是线圈匝数） 故随着转速下降输出电压幅值减小，故随着转速下降输出电压幅值减小， 当转速低到一定程度时，电压幅值当转速低到一定程度时，电压幅值 会减小到无法检测出来的程度。故会减小到无法检测出来的程度。故 这种传感器不适合于低速测量。这种传感器不适合于低速测量。 为提高低转速的测量效果，可采用为提高低转速的

19、测量效果，可采用 电涡流式转速传感器。电涡流式转速传感器。 t Wu d d 0 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 54 扭矩测量扭矩测量 12 测量 仪表 u t 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 55 测试原理测试原理：在转轴上固定两个齿轮：在转轴上固定两个齿轮1和和2，它们的材质、尺寸、齿，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和和4对着齿对着齿 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。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

20、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，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。扭转角的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 56 本章要点本章要点 1）磁电式传感器（振动传感器）的工作原理）磁电式传感器（振动传感器）的工作原理 2）结构特点）结构特点 结构组成：永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（电磁阻结构组成：永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（电磁阻 尼：金属骨架在磁场中运动产生、空气阻尼）、壳体尼：金属骨架在磁场中运动产生、空气阻尼）、壳体 结构形式：动圈式、动铁式结构形式：动圈式、动铁式 3）二阶系统表示：）二阶系统表示： 4）典型应用：振动监测、转速、扭距测量）典型应用：振动监测、转速、扭距测量 2 0 2 2 0 2 0 0 21 )( ）（）（ 振幅比为： x x t 作业：作业：7 73 3，7 75 5 第第 七七 章章 磁磁 电电 式式 传传 感感 器器 57 用导磁材料制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈用导磁材料制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈 的磁通量，使线圈产生感应电动势。的磁通量，使线圈产生