传感器与检测技术磁电式传感器原理学习课程

1、一、类型及其工作原理 磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，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的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，即 dtdNe根据这个原理，可将磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。 第1页/共34页第一页，编辑于星期日：九点 二十二分。（一） 恒定磁通式如图5-1所示，恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）4、线圈3、弹簧2、金属骨架1、和壳体5等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。第2页/共34页第二页，编辑于星期日：九

2、点 二十二分。（一） 恒定磁通式它们的运动部件可以是线圈也可以是磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种结构类型。在动圈式（见图5-1a）中，永久磁铁4与传感器壳体5固定，线圈3和金属骨架1（合称线圈组件）用柔软弹簧2支承。第3页/共34页第三页，编辑于星期日：九点 二十二分。第4页/共34页第四页，编辑于星期日：九点 二十二分。（一） 恒定磁通式在动铁式（图5-1b）中，线圈组件（包括件3和件1）与壳体5固定，永久磁铁4用柔软弹簧2支承。两者的阻尼都是由金属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。第5页/共34页第五页，编辑于星期日：九点 二十二分。第6页/共34页第六页，编辑于星期日：九点 二

3、十二分。这里动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的，当壳体5随被测振动体一起振动时，由于弹簧2较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧2吸收。永久磁铁4与线圈3之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度。磁铁4与线圈3相对运动使线圈3切割磁力线，产生与运动速度v成正比的感应电动势 vBlNe0式中 B：工作气隙磁感应强度；N0：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；l ：每匝线圈的平均长度。第7页/共34页第七页，编辑于星期日：九点 二十二分

4、。由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度（e/v）是随振动频率而变化；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。 不同结构的恒定磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10Hz左右，高的可达2kHz左右。 第8页/共34页第八页，编辑于星期日：九点 二十二分。(二) 变磁通式 又称为变磁阻磁电感应式传感器或变气隙磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。它们的结构原理如图5-2所示。 图5-2a为开磁路变磁通式

5、，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。这种传感器结构简单，但需在被测对象上加装齿轮，使用不方便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而不宜测高转速。 第9页/共34页第九页，编辑于星期日：九点 二十二分。b为闭磁路变磁通式结构示意图，被测转轴1带动椭圆形测量轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮2的

6、转速n（rmin-1）成正比,即f = n/30。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁（极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f = nZ/60，其中Z为测量齿轮的齿数。 第10页/共34页第十页，编辑于星期日：九点 二十二分。二、设计要点 磁电感应式传感器有两个基本元件：一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一般采用永久磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。因此必须合理地选择它们的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器的基本性能要求。下面将简述恒定磁通式传感器的设计要点。 第11页/共34页第十一页，编辑于星期日：九点 二十二分。1. 工

7、作气隙 工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器灵敏度就高。但气隙大，磁路系统磁感应强度就低，传感器灵敏度也低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出特性非线性。为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必须在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙d(见图5-1a)。工作气隙宽度ld(见图5-1a)也和传感器的灵敏度、线性度有关。ld越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此一般取d/ld1/4。 第12页/共34页第十二页，编辑于星期日：九点 二十二分。2. 永久磁铁 永久磁铁由永磁合金材料制成，是提供工作气隙磁能的能源。不同

8、永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要参数为矫顽力、剩余磁感应强度和最大磁能积(BH)m，以及去磁曲线B=f1(H)和磁能积曲线(BH)=f2(B)。为了提高传感器的灵敏度，应选用具有较大磁能积的永磁合金。常用的永磁合金有在强磁场中铸造的铝镍钴永磁合金，其剩磁和矫顽力都较大，能在体积、重量较小时得到较高的气隙磁感应强度，其稳定性高，使用最为广泛。 第13页/共34页第十三页，编辑于星期日：九点 二十二分。3线圈组件 线圈组件由线圈和线圈骨架组成。一般线圈骨架由金属，如铜、铝、不锈钢等制成，起电磁阻尼作用。但当传感器精度要求较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加，所以必须采用其它阻尼器。这时线

9、圈骨架由非金属，如有机玻璃等制成。为减小尺寸，也有不用骨架的。当线圈组件在工作气隙中相对于永久磁铁运动时，要保证两者间没有摩擦。除此之外，还必须保证在测量范围内传感器灵敏度恒定。最后还应核算线圈的温升是否在允许的范围内。应该指出的是, 在精度较高的传感器中，线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场的作用（称为线圈磁场效应）是不能忽略的，需采用补偿线圈与工作线圈相串联而加以补偿。当环境温度变化较大时, 传感器的温度误差较大，必须加以温度补偿。第14页/共34页第十四页，编辑于星期日：九点 二十二分。三、应用（一）磁电感应式振动速度传感器以CD-1型为例，它是一种绝对振动传感器，主要技术规格为：工作频率

10、10500Hz，固有频率12Hz；灵敏度604mVscm-1；最大可测加速度5g；可测振幅范围0.11000m；工作线圈内阻1.9k；精度10；外形尺寸45160mm；质量0.7kg。 第15页/共34页第十五页，编辑于星期日：九点 二十二分。它属于动圈式恒定磁通型。其结构原理图如图5-3所示，永久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2。工作线圈和圆环形阻尼器用心轴5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。第16页/共34页第十六页，编辑于星期日：

11、九点 二十二分。使用时，将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳体一起随被测体振动，由于质量块有一定的质量，产生惯性力，而弹簧片又非常柔软，因此当振动频率远大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过引线9接到测量电路。同时良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。 第17页/共34页第十七页，编辑于星期日：九点 二十二分。（二）磁电感应式转速传感器 图5-4是一种磁电感应式转速传感器的结构原理图。转子2与转轴1固紧。转子2和定子5都用工业纯铁制成，它

12、们和永久磁铁3组成磁路系统。转子2和定子5的环形端面上都均匀地铣了一些齿和槽，两者的齿、槽数对应相等。第18页/共34页第十八页，编辑于星期日：九点 二十二分。测量转速时，传感器的转轴1与被测物转轴相连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大。而齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。因此当定子5不动而转子2转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈4中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与转速成正比关系。 第19页/共34页第十九页，编辑于星期日：九点 二十二分。它属于变磁通式，结构示意图如图5-5所示。转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）固定在

13、传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和槽。 （三）磁电感应式扭矩仪 第20页/共34页第二十页，编辑于星期日：九点 二十二分。测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴（包括线圈和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传感器的定子槽与其转子齿相对。当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零， 若转轴以一定角速度旋转， 则两个传感器输出相位差为0或180的两个近似正弦波感应电动势。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差0。第21页/共34页第二十一页，编辑于星期日：九点 二十二分。经测

14、量电路，将相位差转换成时间差，就可测出扭矩。磁电感应式传感器除了上述一些应用外，还可构成电磁流量计，用来测量具有一定电导率的液体流量。其优点为反应快、易于自动化和智能化，但结构较为复杂。 第22页/共34页第二十二页，编辑于星期日：九点 二十二分。 属于惯性式传感器。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。也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量

15、。实例：振动速度传感器第23页/共34页第二十三页，编辑于星期日：九点 二十二分。应用振动监测第24页/共34页第二十四页，编辑于星期日：九点 二十二分。飞机振动模态分析第25页/共34页第二十五页，编辑于星期日：九点 二十二分。转速测量第26页/共34页第二十六页，编辑于星期日：九点 二十二分。第27页/共34页第二十七页，编辑于星期日：九点 二十二分。 永久磁铁 线圈 弹簧 阻尼器 电磁阻尼：线圈金属骨架在磁场中运动产生感应出涡流而受到反方向的作用力。 空气阻尼： 壳体:提供闭合磁路、磁屏蔽构 成附录：恒定磁通式磁电式传感器工作特性的理论推导第28页/共34页第二十八页，编辑于星期日：九点 二十二分。动态特性分析二阶系统表示mckx0 xm第29页/共34页第二十九页，编辑于星期日：九点 二十二分。第30页/共34页第三十页，编辑于星期日：九点 二十二分。设：x0-振动体的绝对位移；xm-质量块的绝对位移0 xxxmt两者间相对位移：ttmxkdtdxcdtxdm22)()(0022xxkxxdtdcdtxdmmmm第31页/共34页第三十一页，编辑于星期日：九点 二十二分。02)()(xkcDxkcDmDdtdDm令于是可求出xm与x0的传递函数于是可求xm或 xt与x0的振幅比与相位误差其中：x0-振动体的绝对位移；xm-质量块的绝对位移