第5章磁电式传感器

1、第第5 5章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是一种通过磁电作用，将被测磁电式传感器是一种通过磁电作用，将被测量转换成电信号的传感器。常用的磁电式传感器量转换成电信号的传感器。常用的磁电式传感器有有磁电感应式传感器磁电感应式传感器、磁栅式传感器磁栅式传感器、霍尔式传霍尔式传感器感器及各种及各种磁敏元件磁敏元件等。等。第第5 5章章 磁电式传感器磁电式传感器5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.2 5.2 磁栅式传感器磁栅式传感器5.3 5.3 霍尔式传感器霍尔式传感器5.4 5.4 磁敏元件磁敏元件 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁电感应式传感器简称磁

2、电感应式传感器简称感应式传感器感应式传感器。它利。它利用用电磁感应原理电磁感应原理，将输入的运动速度变换成感应，将输入的运动速度变换成感应电势输出。这种传感器属电势输出。这种传感器属双向传感器双向传感器，反向使用，反向使用时可构成力时可构成力( (力矩力矩) )发生器或电磁激振器等，所以发生器或电磁激振器等，所以也称也称电动式传感器电动式传感器。它是一种机。它是一种机电电能量变换型能量变换型传感器传感器，不需要供电电源，测量电路简单，输出，不需要供电电源，测量电路简单，输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽( (10 1000 Hz) )，所以得到普遍应用

3、。，所以得到普遍应用。 缺点是尺寸和重量都较大。缺点是尺寸和重量都较大。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器双向有源传感器双向有源传感器磁电式磁电式传感器传感器机机电电5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 根据根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律，线圈切割磁力，线圈切割磁力线或其中的磁通变化时，线圈中所产生

4、的感应线或其中的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势为电动势为磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，改变其中任何一个因素，都会改变线速度有关，改变其中任何一个因素，都会改变线圈的感应电动势。圈的感应电动势。 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式恒定磁通式和和变磁通式变磁通式。tNedd5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 1. 1.恒磁通式恒磁通式 磁路系统产生恒定的直流磁场，工作气隙固磁路系统产生恒定的直

5、流磁场，工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变。感应电势是定不变，气隙中的磁通也恒定不变。感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线而产由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线而产生的。运动部件可以是线圈或磁铁，因此结构上生的。运动部件可以是线圈或磁铁，因此结构上又分为又分为动圈式动圈式和和动铁式动铁式两种。两种。5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式vNS15432NS12345( (b) )动铁式动铁式( (a) )动圈式动圈式1弹簧；弹簧；2线圈骨架；线圈骨架；3壳体；壳体；4永久磁铁；永久磁铁；5线圈线圈 5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和

6、结构形式5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 动圈式和动铁式的工作原理相同。线圈和磁动圈式和动铁式的工作原理相同。线圈和磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势为铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势为).(15BlNe式中，式中，N为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为为工作匝数工作匝数。 传感器的灵敏度为传感器的灵敏度为).(/25nBlNeS5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 显然，显然，为提高灵敏度可设法增大为提高灵敏度可设法增大B、l与与N。但要注意在选择这些参数时，应综合考虑传感器但要注意在选择这些参

7、数时，应综合考虑传感器的材料、重量、体积、内阻、工作频率等因素。的材料、重量、体积、内阻、工作频率等因素。 当传感器的结构一定时，当传感器的结构一定时，e正比于正比于 ，故，故只适只适用于动态测量用于动态测量。这种传感器的基型是一种速度传。这种传感器的基型是一种速度传感器，若在测量电路中加上积分或微分电路，也感器，若在测量电路中加上积分或微分电路，也可测位移或加速度。可测位移或加速度。 5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 2. 2.变磁通式变磁通式 这类传感器的线圈和磁铁都是静止的，感应这类传感器的线圈和磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生。根据磁路的不同，又分电

8、势由变化的磁通产生。根据磁路的不同，又分开磁路开磁路和和闭磁路闭磁路两种。两种。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，但这变磁通式传感器对环境条件要求不高，但这种传感器有一个下限工作频率，开磁路式一般为种传感器有一个下限工作频率，开磁路式一般为50 Hz，闭磁路式可降至，闭磁路式可降至30 Hz左右。左右。5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 ( (1) )开磁路变磁通式开磁路变磁通式 感应电势的频率感应电势的频率f 取决取决于齿轮的齿数于齿轮的齿数z和转速和转速n( (r/ /min) )，它们的关系为，它们的关系为 ).(3560zfn 这种传感器结构这种传感器结构简

9、单，但输出信号较简单，但输出信号较小，且因高速轴上加小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜装齿轮较危险而不宜测量高转速。测量高转速。 1齿轮；齿轮；2线圈；线圈；3软铁；软铁；4永久磁铁永久磁铁N S14325.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式 ( (2) )闭磁路变磁通式闭磁路变磁通式 内外齿轮齿数相同。内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测轴上时，外齿轮不动，内齿轮当转轴连接到被测轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动。显然，感应电势的频率与被测随被测轴而转动。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。转速成正比。 2线圈；线圈；4永永久磁铁；久磁铁；5外齿外齿轮；轮；6内

10、齿轮内齿轮 24565.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性 它是双向的机它是双向的机电型传感器，可借助双向电型传感器，可借助双向传感器理论分析其动态特性，详细推导参考以传感器理论分析其动态特性，详细推导参考以下文献下文献 1 单成祥单成祥. .传感器的理论与设计基础及其传感器的理论与设

11、计基础及其应用应用. .国防工业出版社国防工业出版社, ,1999 2 贾伯年贾伯年. .传感器技术传感器技术( (修订版修订版).).东南大学东南大学出版社出版社, ,20005.1.2 5.1.2 动态特性动态特性 测量时将传感器的壳体与被测物体以足够大测量时将传感器的壳体与被测物体以足够大的刚度联结在一起。传感器输入量为速度的刚度联结在一起。传感器输入量为速度 ，输，输出量为感应电势出量为感应电势e。RfeNS 5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性 设负载呈现电阻特性，且阻抗设负载呈现电阻特性，且阻抗Rf远大于线圈远大于线圈阻抗；动圈部分的固有角频率为阻抗；动圈部分的固有角频率为w

12、w0，质量为，质量为m；电磁阻尼系数为电磁阻尼系数为c。则其频率响应函数为。则其频率响应函数为).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性可绘出幅频特性曲线如图所示。可绘出幅频特性曲线如图所示。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼 振动频率很低振动频率很低时，式时，式( (5.4) )分母中分母中的第二项占主导地位，的第二项占主导地位，在此频段内灵敏度随在此频段内灵敏度随w w2而增长。而增长。).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2

13、动态特性动态特性 在高于固有频在高于固有频率的低频段，式率的低频段，式( (5. .4) )分母中的第三项起主分母中的第三项起主要作用，灵敏度随要作用，灵敏度随w w按按比例增长。比例增长。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性 振动频率远高于振动频率远高于固有频率时，灵敏度接固有频率时，灵敏度接近一常数，传感器输出近一常数，传感器输出与振动速度成正比。这与振动速度成正比。这一频段即传感器的一频段即传感器的工作工作频段频段，或称，或称频响

14、范围频响范围。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性 频率更高时，频率更高时，因线圈阻抗增大，灵因线圈阻抗增大，灵敏度将随频率的增加敏度将随频率的增加而下降。而下降。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5.1.2

15、5.1.2 动态特性动态特性5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 磁电感应式传感器的设计内容主要包括：磁磁电感应式传感器的设计内容主要包括：磁路设计、线圈组件设计、固有频率计算、弹簧设路设计、线圈组件设计、固有频率计算、弹簧设计、阻尼系数的计算和阻尼器设计等。计、阻尼系数的计算和阻尼器设计等。 5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 1. 1.磁路设计磁路设计 为减小传感器体积，为减小传感器体积，一般采用永久磁铁作为一般采用永

16、久磁铁作为产生恒定直流磁场的主要元件产生恒定直流磁场的主要元件。磁路设计的一般。磁路设计的一般方法是，先由传感器外形尺寸方法是，先由传感器外形尺寸( (通常由技术条件给通常由技术条件给定定) )确定其大致尺寸，然后选取工作气隙尺寸及永确定其大致尺寸，然后选取工作气隙尺寸及永久磁铁的材料和工作点，最后计算永久磁铁的尺久磁铁的材料和工作点，最后计算永久磁铁的尺寸和工作气隙中的磁感应强度。寸和工作气隙中的磁感应强度。 5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 ( (1) )工作气隙选择工作气隙选择 涉及三个方面：宽度涉及三个方面：宽度d，长度长度ld和平均直径和平均直径D。dNSlmDmld)5 .

17、 5(mmBSKSB式中，式中，S为工作气隙圆柱面为工作气隙圆柱面的面积，的面积，S，B。 增大增大D可增加可增加l，但是传感器体积和重量增，但是传感器体积和重量增加，工作气隙中磁感应强度加，工作气隙中磁感应强度B降低，因为降低，因为D5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 增大增大d可增加可增加N，但也会导致，但也会导致B降低。因为降低。因为)6 . 5(mmHdKlHl式中，式中，H为工作气隙中磁场强度，为工作气隙中磁场强度，d，H，B m m0m mrH m m0H。dNSlmDmld5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 而而且，且，d越大工作气隙中磁场越不均匀，会越大工作气隙中磁

18、场越不均匀，会导致输出特性非线性增加。所以，必须在足够大导致输出特性非线性增加。所以，必须在足够大的的窗口面积窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量和所需加工安装精度的前提下，尽量减小减小d。dNSlmDmld5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 ld和传感器的和传感器的灵敏度、线性度也有灵敏度、线性度也有关，它越大，灵敏度关，它越大，灵敏度越高，线性越好，但越高，线性越好，但体积和重量也随之增体积和重量也随之增大。因此，一般取大。因此，一般取d/ /ld1/ /4。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 ( (2) )材料与工作点的选择材料与工作点的选择 材料的选择。材料的选择。永久

19、磁铁由永磁合金制成，永久磁铁由永磁合金制成，是提供工作气隙磁能的能源。常用材料性能如下是提供工作气隙磁能的能源。常用材料性能如下 a. .铝镍钴永磁合金的剩余磁感应强度铝镍钴永磁合金的剩余磁感应强度Br和矫和矫顽力顽力Hc都较大。都较大。 b. .镍钢、钴钢和铬钢属于高镍钢、钴钢和铬钢属于高Br、低、低Hc材料。材料。 c. .镍铬合金和铁氧体属于低镍铬合金和铁氧体属于低Br、高、高Hc材料。材料。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 永久磁铁材料的选择是根据永磁体的尺寸永久磁铁材料的选择是根据永磁体的尺寸参数来确定的，参考式参数来确定的，参考式( (5. .6) )。 )6 . 5(mm

20、HdKlHl a.当给定的当给定的d较小，希望永久磁铁的长度较小，希望永久磁铁的长度lm大时，则必须减小大时，则必须减小Hm。所以要选取。所以要选取Hc小而小而Br大大的材料。的材料。 b.当给定的当给定的d较大，希望设计的较大，希望设计的lm小时，则小时，则必须增大必须增大Hm。所以要选择。所以要选择Hc大而大而Br小的材料。小的材料。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 工作点的选择。分析表明，使永久磁铁工作点的选择。分析表明，使永久磁铁工作在工作在最大磁能积最大磁能积( (即最大即最大BmHm) )上，磁铁体上，磁铁体积可最小，这是确定永久磁铁工作点的原则。积可最小，这是确定永久磁铁

21、工作点的原则。).()/(105mmm0VKKVHBBlm5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 求最佳工作点有两种方法，一是通过作磁能求最佳工作点有两种方法，一是通过作磁能积曲线。积曲线。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 另一种是由直线另一种是由直线OP得到。得到。对动态磁路，工作点通常不在去磁曲线上而对动态磁路，工作点通常不在去磁曲线上而是在局部磁滞回环上来回移动。是在局部磁滞回环上来回移动。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 ( (3) )磁感应强度的计算磁感应强度的计算 对于图对于图5. .5所示的磁所示的磁路系统。用漏磁系数路系统。用漏磁系数K 考虑漏磁的影响，用修正

22、考虑漏磁的影响，用修正系数系数Kl考虑壳体的影响，考虑壳体的影响，K 和和Kl的取值由实践经的取值由实践经验确定验确定。根据磁路的连续性定律与基尔霍夫第一根据磁路的连续性定律与基尔霍夫第一定律，得定律，得)6 . 5()5 . 5(mmmmHdKlHBSKSBldNSlmDmld5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 根据选定的传感器尺寸和工作气隙宽度根据选定的传感器尺寸和工作气隙宽度d，定出每匝线圈的平均长度定出每匝线圈的平均长度l，于是工作气隙的，于是工作气隙的( (平平均均) )截面积为截面积为).(75llSd再由再由l计算出气隙的平均直径为计算出气隙的平均直径为Dl/ /p p，则

23、永久磁铁直径为，则永久磁铁直径为Dm Dd，截面积为，截面积为 ).(/8542mmDSdNSlmDmld5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 将式将式( (5. .5) )与式与式( (5. .6) )两边相除，并考虑到在工两边相除，并考虑到在工作气隙中作气隙中Bm m0H( (空气的空气的m mr1) )，及图，及图5. .6中的关系，中的关系，得永久磁铁的长度为得永久磁铁的长度为 ).(95tan0m0cmr0mmmmmmmSKdSKSKHdSKBSKHdSKBllllO()BH()BHmaxBBrBmHmHcHPD磁能积曲线去磁曲线)6 . 5()5 . 5(mmmmHdKlHBS

24、KSBl将式将式( (5. .5) )与式与式( (5. .6) )两边相乘，并考虑两边相乘，并考虑到气隙体积到气隙体积VSd，磁铁体积，磁铁体积VmSmlm，及，及Bm m0H，得，得5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点).()/(105mmm0VKKVHBBlm)6 . 5()5 . 5(mmmmHdKlHBSKSBl5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 2. .线圈组件设计线圈组件设计 线圈厚度线圈厚度h( (D3D2) )/ /2，骨架厚度骨架厚度t( (D2D1) )/ /2，为保，为保证线圈组件在工作气隙中灵活证线圈组件在工作气隙中灵活运动，不发生摩擦，应满足运动，不发生摩

25、擦，应满足(5.11)dththLD1D2D35.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 线圈组件长度线圈组件长度L取决于取决于工作气隙长度工作气隙长度ld和振动位移和振动位移峰值峰值lp，为避免因不均匀漏，为避免因不均匀漏磁通分布造成输出特性出现磁通分布造成输出特性出现过大的非线性，通常将线圈过大的非线性，通常将线圈组件的长度给出组件的长度给出30 %的余量，的余量，即即).()(1253 . 1pdllLthLD1D2D35.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 为了为了确定线圈的匝数，设确定线圈的匝数，设N0为每层的匝数；为每层的匝数；N为线圈总匝数；为线圈总匝数；dw为导线直径。当选定为

26、导线直径。当选定dw后，后，设为均匀密绕制，所以每层线圈总长度设为均匀密绕制，所以每层线圈总长度L = N0 dw 当考虑绕制工艺的利用系数当考虑绕制工艺的利用系数f1时，则时，则f 1L = N0 dw 于是，于是，每层匝数为每层匝数为N0 = f1 L/ / dw5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 设线圈共绕制设线圈共绕制n层，则层，则h = nf2dw式中，式中，f2为填充系数。所以线圈层数为为填充系数。所以线圈层数为n = h/ /( (f2dw) )则线圈的总匝数为则线圈的总匝数为N = nN0工作气隙中线圈匝数用工作气隙中线圈匝数用Nd表示，则表示，则Nd = Nld/ /L

27、 = nN0ld/ /L5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 为输出足够大的电势，应增加线圈匝数。为输出足够大的电势，应增加线圈匝数。根据以上分析可知，线圈总匝数不仅和根据以上分析可知，线圈总匝数不仅和L、h有有关，也和漆包线的直径关，也和漆包线的直径dw有关。选用较细的漆有关。选用较细的漆包线可增加线圈匝数，但线圈电阻也增加，需包线可增加线圈匝数，但线圈电阻也增加，需考虑与外电路的考虑与外电路的阻抗匹配阻抗匹配及及线圈发热线圈发热等问题。等问题。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 3. .动态参数的计算动态参数的计算 ( (1) )固有频率计算固有频率计算 根据动态特性可知，只根据

28、动态特性可知，只有有w ww w0时时，才能保证一定的测量精度。，才能保证一定的测量精度。 增大动圈增大动圈( (或动铁或动铁) )部分的质量，或者选择较部分的质量，或者选择较柔软的弹簧，都可降低固有频率，因柔软的弹簧，都可降低固有频率，因w w02k/ /m。不过，选择柔软的弹簧有利于减小传感器体积与不过，选择柔软的弹簧有利于减小传感器体积与重量，及附加在振动体上的载荷。当然，不必要重量，及附加在振动体上的载荷。当然，不必要求固有频率太低，需综合考虑物体振动的频率范求固有频率太低，需综合考虑物体振动的频率范围、允许振幅误差等因素。围、允许振幅误差等因素。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要

29、点( (2) )弹簧设计弹簧设计 当当w w0及及m已知时，可根据已知时，可根据kmw w02计算弹簧刚度计算弹簧刚度k。但这里计算的是。但这里计算的是总刚度总刚度。磁电感应式传感器通常由磁电感应式传感器通常由两个弹簧并联两个弹簧并联工作，总工作，总刚度等于两个弹簧刚度的和。选取每个弹簧之刚刚度等于两个弹簧刚度的和。选取每个弹簧之刚度的原则是，在静止状态下应使质量块保持在传度的原则是，在静止状态下应使质量块保持在传感器的中间位置。感器的中间位置。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 ( (3) )阻尼计算和阻尼器设计阻尼计算和阻尼器设计 磁电感应式传磁电感应式传感器中，适当地引入阻尼不仅可

30、以衰减自由振荡，感器中，适当地引入阻尼不仅可以衰减自由振荡，还可降低共振峰，改善频响特性，提高测量精度。还可降低共振峰，改善频响特性，提高测量精度。常用的阻尼器常用的阻尼器有空气阻尼器有空气阻尼器、硅油阻尼器硅油阻尼器和和电磁电磁阻尼器阻尼器，它们各有特点。电磁阻尼器，它们各有特点。电磁阻尼器( (往往就是往往就是线圈的金属骨架线圈的金属骨架) )结构简单，阻尼系数受温度影结构简单，阻尼系数受温度影响也不大，故较多采用。响也不大，故较多采用。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点电磁阻尼的原理是，当金属骨架相对于永久电磁阻尼的原理是，当金属骨架相对于永久磁铁运动时，相当于闭合线圈作切割磁力线

31、运动，磁铁运动时，相当于闭合线圈作切割磁力线运动，从而产生感应电势。感应电势导致在金属骨架内从而产生感应电势。感应电势导致在金属骨架内产生感应电流，此电流在磁场中又会受到与线圈产生感应电流，此电流在磁场中又会受到与线圈运动方向相反的洛仑兹力作用，起到阻碍运动的运动方向相反的洛仑兹力作用，起到阻碍运动的效果。效果。5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 假设金属骨架的平均直假设金属骨架的平均直径为径为D，厚度为，厚度为t，电阻率为，电阻率为r r。当它以速度。当它以速度 在工作气隙在工作气隙中运动时，对于中运动时，对于理想的粘性理想的粘性阻尼阻尼( (阻尼力与速度阻尼力与速度 成正成正比比)

32、)，若忽略漏磁和杂散磁，若忽略漏磁和杂散磁场，则电磁阻尼系数场，则电磁阻尼系数c为为).(/135d2rtlDBc 5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点 确定动圈确定动圈( (或动铁或动铁) )部分的部分的w w0与与m后，传感器后，传感器的电磁阻尼系数的电磁阻尼系数c与阻尼比与阻尼比x x( (一般取一般取0.60.7) )的的关系为关系为).(145 20 xwmc 可通过改变可通过改变t来调节来调节c的大小，以得到较好的的大小，以得到较好的频响特性。频响特性。 /0AS( )/n0.11.0101020.11.010过阻尼最佳阻尼中频灵敏度高频下降欠阻尼5.1 5.1 磁电感应式传感

33、器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 接入测量电路后，磁电感应式传感器的输接入测量电路后，磁电感应式传感器的输出电流为出电流为iiRRBlNRRei)15. 5(iiRRBLRRBlNiSi式中，式中，Ri为测量电路的输入电阻，为测量电路的输入电阻，R为线圈的等为线圈的等效电阻。传感器的电流灵敏度为效电阻。传

34、感器的电流灵敏度为式中，式中，LlN为工作气隙中线圈的总长度。为工作气隙中线圈的总长度。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变场干扰、机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。电流灵敏度的相对误差为化而产生测量误差。电流灵敏度的相对误差为)16. 5(ddddiRRRLLBBSSii)15. 5(iiRRBLRRBlNiSi5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 1. .永久磁铁稳定性分析永久磁铁稳定性分析 Bm的稳定性直接影响的稳定性直接影响B的稳定性

35、。的稳定性。 ( (1) )时间因素的影响时间因素的影响 试验表明，永久磁试验表明，永久磁铁的磁性能一般随时间而变。主要原因是永磁铁的磁性能一般随时间而变。主要原因是永磁材料在淬火和铸造后内部存在应力，但随着时材料在淬火和铸造后内部存在应力，但随着时间的推移，内应力逐渐消失。为此，一般需要间的推移，内应力逐渐消失。为此，一般需要在充磁前进行退火处理，消除内应力。在充磁前进行退火处理，消除内应力。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 ( (2) )外界磁场的影响外界磁场的影响 永久磁铁受到外界交流永久磁铁受到外界交流磁场或反向直流磁场作用时，工作点不能保持稳磁场或反向直流磁场作用时，工作

36、点不能保持稳定，将使定，将使B发生变化。为此，除采取屏蔽措施外，发生变化。为此，除采取屏蔽措施外，还应进行交流稳磁处理。还应进行交流稳磁处理。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 ( (3) )温度的影响温度的影响 试验结果表明，温度试验结果表明，温度，Br，且一般不能恢复到原位置，恢复程度主要，且一般不能恢复到原位置，恢复程度主要与材料冶金结构的稳定性有关。铝镍钴永磁合金与材料冶金结构的稳定性有关。铝镍钴永磁合金在冶金结构上有较高的温度稳定性，在在冶金结构上有较高的温度稳定性，在500 以以下工作时，磁性能几乎不变。下工作时，磁性能几乎不变。 其温度稳定性与工作点的位置也有关系，工其

37、温度稳定性与工作点的位置也有关系，工作点选择在最大磁能积附近时，温度系数较小，作点选择在最大磁能积附近时，温度系数较小，且一般为负值。为提高温度稳定性，一般是进行且一般为负值。为提高温度稳定性，一般是进行35次温度稳定性循环处理。次温度稳定性循环处理。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 ( (4) )振动与冲击的影响振动与冲击的影响 受到机械振动或冲击受到机械振动或冲击作用之后，内应力增加，部分磁分子排列发生变作用之后，内应力增加，部分磁分子排列发生变化，导致磁性能变坏。为此，一般将充磁后的永化，导致磁性能变坏。为此，一般将充磁后的永久磁铁按一定技术要求，先经受约千次的振动和久磁铁按

38、一定技术要求，先经受约千次的振动和冲击试验，振动和冲击值取今后工作中可能遇到冲击试验，振动和冲击值取今后工作中可能遇到的最大值。的最大值。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 2. .温度误差温度误差 当温度变化时，式当温度变化时，式( (5. .16) )中三项都不为零。中三项都不为零。对铜线，对铜线，dL/ /L0.167104/，dR/ /R0.43 102/。dB/ /B取决于永久磁铁的材料。对铝镍钴取决于永久磁铁的材料。对铝镍钴永磁合金，永磁合金，dB/ /B0.02102/，这样，由式，这样，由式( (5. .16) )可得近似值可得近似值C/%45. 0这一数值非常可观，

39、这一数值非常可观， 所以需要进行温度补偿。所以需要进行温度补偿。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 补偿通常采用补偿通常采用热磁分流器热磁分流器。它由具有很大。它由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成，在正常工作负温度系数的特殊磁性材料做成，在正常工作温度下将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度温度下将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例显著降低，空气分流掉的磁通占总磁通的比例显著降低，空气隙中的工作磁通增加，使输出增加，从而抵消隙中的工作磁通增加，使输出增加，从而抵消因因R增加造成的输

40、出减小，维持传感器灵敏度增加造成的输出减小，维持传感器灵敏度为常数。为常数。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 3. .非线性误差分析非线性误差分析 ( (1) )线圈的磁场效应线圈的磁场效应 产产生非线性误差的主要原因是，生非线性误差的主要原因是，传感器线圈内有电流流过，将传感器线圈内有电流流过，将产生与工作磁通相反的磁通。产生与工作磁通相反的磁通。线圈运动速度越大，反向磁场线圈运动速度越大，反向磁场越强，使得传感器的灵敏度随越强，使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。着被测速度的增大而降低。5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及

41、补偿 为此，可加入补偿为此，可加入补偿线圈。补偿线圈可以和线圈。补偿线圈可以和工作线圈串联但绕向相工作线圈串联但绕向相反。也可让补偿线圈中反。也可让补偿线圈中通过由测量电路反馈的通过由测量电路反馈的放大后的电流，则补偿放大后的电流，则补偿线圈的匝数可较少。线圈的匝数可较少。 12NS1工作线圈；工作线圈；2补偿线圈补偿线圈5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 ( (2) )气隙磁场不均匀气隙磁场不均匀 在在导磁帽上用机械方法强行固定导磁帽上用机械方法强行固定一个与主磁钢充磁方向相反的一个与主磁钢充磁方向相反的铂钴磁片，把主磁钢的磁力线铂钴磁片，把主磁钢的磁力线大部分压到工作气隙中。这样

42、大部分压到工作气隙中。这样既可减少轴向漏磁，提高磁钢既可减少轴向漏磁，提高磁钢的利用系数，又可使磁场的均的利用系数，又可使磁场的均匀性增加，非线性误差减小。匀性增加，非线性误差减小。12NS1铂钴磁片；铂钴磁片；2磁帽磁帽 5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿 ( (3) )电磁阻尼器引起的非线性电磁阻尼器引起的非线性 传感器采用传感器采用电磁阻尼器时，也将使其非线性增大。所以，电磁阻尼器时，也将使其非线性增大。所以，精度要求较高时，最好不要用电磁阻尼器。精度要求较高时，最好不要用电磁阻尼器。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作

43、原理和结构形式5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路 磁电感应式传感器直接输出感应电势，磁电感应式传感器直接输出感应电势，且通常具有较高的灵敏度，因而对测量电路且通常具有较高的灵敏度，因而对测量电路一般无特殊要求。一般无特殊要求。它一般用于测振动速度它一般用于测振动速度，即输出信号与振动速度成比例。如要进一步即输出信号与振动速度成比例。如要进一步获取振动位移或振动加速度，可配用适当的获取振动

44、位移或振动加速度，可配用适当的积分电路或微分电路。积分电路或微分电路。5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路 选择开关选择开关Sw接通线接通线1时，得到的是振动速度时，得到的是振动速度信号。信号。Sw接通线接通线2时，经过积分电路处理，得到时，经过积分电路处理，得到的是振动位移信号。接通线的是振动位移信号。接通线3时，得到的是振动时，得到的是振动加速度信号。加速度信号。前置放大微分电路积分电路主放电路显示或记录磁电式传感器量程选择Sw1235.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性5.1

45、.3 5.1.3 设计要点设计要点5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 1. 1.磁电感应式扭矩仪磁电感应式扭矩仪 转子转子( (包括线圈包括线圈) )固定在传感器轴上，固定在传感器轴上，定子定子( (永久磁铁永久磁铁) )固定固定在传感器外壳上。在传感器外壳上。 e1432 测扭矩时，需两个传感器，将它们的转轴分测扭矩时，需两个传感器，将它们的转轴分别固定在被测轴的两端，外壳固定不动。安装时，别固定在被测轴的两端，外壳固定不动。安装时，一个传感器的定子齿与转子齿相对，另一个的定一个传感器的定子齿与转子齿相

46、对，另一个的定子槽与转子齿相对。子槽与转子齿相对。5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 被测轴无外加扭矩时，扭转角为零。此时若被测轴无外加扭矩时，扭转角为零。此时若转轴以一定的角速度转动，则在两个传感器中产转轴以一定的角速度转动，则在两个传感器中产生相位差为生相位差为180 、波形近似为正弦波的两个感应、波形近似为正弦波的两个感应电势。被测轴感受扭矩时，轴的两端将产生扭转电势。被测轴感受扭矩时，轴的两端将产生扭转角，对固定系统，在弹性范围内，扭转角与扭矩角，对固定系统，在弹性范围内，扭转角与扭矩成正比。两个感应电势将因扭转角而产生附加相成正比。两个感

47、应电势将因扭转角而产生附加相位差。设定子位差。设定子( (或转子或转子) )的齿数为的齿数为z，则扭转角，则扭转角 和和感应电势附加相位差感应电势附加相位差F F的关系为的关系为 )17. 5(Fz5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例磁电感应式扭矩仪示意图磁电感应式扭矩仪示意图5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 2. .测振传感器测振传感器 图示为图示为CD-1型振动速度传感器，灵敏度型振动速度传感器，灵敏度600 mV/(/(cm/ /s) )；最大可测位移；最大可测位移1 mm；最大可测加；最大可测加速度速度50 m/ /s2；频率范围；频率范围10500 Hz；线性度；线性度5

48、 %；属绝对振动传感器；固有频率属绝对振动传感器；固有频率12 Hz；线圈内阻；线圈内阻1.9 kW W。 3 4 56718125.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 工作时，传感器与被测物体刚性连接。当工作时，传感器与被测物体刚性连接。当物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之振动，物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之振动，架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动，线圈切割磁力线，产生感应电动势。动，线圈切割磁力线，产生感应电动势。3 4 56718125.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 3. .磁电感应式流量计磁电感应式流量计 导管绝缘，只要

49、被测流体是导电的，水平方导管绝缘，只要被测流体是导电的，水平方向的两电极上就感应出电势。感应电势和单位时向的两电极上就感应出电势。感应电势和单位时间内通过导管横截面的流体体积成正比。间内通过导管横截面的流体体积成正比。NS差动放大输出5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 这种流量计虽要求流体必须是导电的，但它这种流量计虽要求流体必须是导电的，但它无机械可动部分，电极不妨碍流体的流动，不受无机械可动部分，电极不妨碍流体的流动，不受流体粘度的影响，受流速分布的影响也较小，具流体粘度的影响，受流速分布的影响也较小，具有很宽的测量范围有很宽的测量范围( (0.005190000 m3/ /h) )

50、及较高及较高的测量精度的测量精度( (可达可达0.5 %) )，并且可以双向测量。，并且可以双向测量。5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例 4. .磁电式力发生器与激振器磁电式力发生器与激振器 给工作线圈输入电量时，给工作线圈输入电量时，可输出机械量。根据这一原可输出机械量。根据这一原理，可构成挠性陀螺力矩器、理，可构成挠性陀螺力矩器、电磁振动台等输出机械量的电磁振动台等输出机械量的装置。其中，装置。其中，电磁振动台电磁振动台作作为激振器是机械结构动态试为激振器是机械结构动态试验的重要设备。验的重要设备。1234567181支承弹簧；支承弹簧；2壳体；壳体；3磁钢；磁钢；4顶杆；顶杆；5铁

51、心；铁心；6磁极；磁极；7线圈；线圈；8试件试件 5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.1.1 5.1.1 工作原理和结构形式工作原理和结构形式5.1.2 5.1.2 动态特性动态特性5.1.3 5.1.3 设计要点设计要点5.1.4 5.1.4 误差及补偿误差及补偿5.1.5 5.1.5 测量电路测量电路5.1.6 5.1.6 应用举例应用举例第第5 5章章 磁电式传感器磁电式传感器5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.2 5.2 磁栅式传感器磁栅式传感器5.3 5.3 霍尔式传感器霍尔式传感器5.4 5.4 磁敏元件磁敏元件 5.2 5.2 磁栅式传感器磁栅式传

52、感器 磁栅式传感器主要由磁栅式传感器主要由磁栅磁栅和和磁头磁头组成。磁栅组成。磁栅是利用磁带录音的原理，将周期变化的电信号是利用磁带录音的原理，将周期变化的电信号( (正正弦波或矩形波弦波或矩形波) )转换成圆形或长条形磁栅上等间距转换成圆形或长条形磁栅上等间距的磁信号。装有磁栅式传感器的装置工作时，磁的磁信号。装有磁栅式传感器的装置工作时，磁头把磁栅上的磁信号读出来，即可把磁头与磁栅头把磁栅上的磁信号读出来，即可把磁头与磁栅之间的相对位置或相对运动速度转换成电信号。之间的相对位置或相对运动速度转换成电信号。 5.2 5.2 磁栅式传感器磁栅式传感器 磁栅式传感器的特点磁栅式传感器的特点 (

53、(1) )录制方便，成本低廉，当录制的磁栅信录制方便，成本低廉，当录制的磁栅信号不合适的时候可抹去重录。号不合适的时候可抹去重录。 ( (2) )使用方便，可以在仪器或机床上安装好使用方便，可以在仪器或机床上安装好后再录制磁栅信号，因而可避免安装误差。后再录制磁栅信号，因而可避免安装误差。 ( (3) )可方便地录制任意节距的磁栅信号。例可方便地录制任意节距的磁栅信号。例如在检查蜗杆时，希望基准量中含有如在检查蜗杆时，希望基准量中含有p p因子，可因子，可以在录制时加以考虑。以在录制时加以考虑。5.2 5.2 磁栅式传感器磁栅式传感器 磁栅式传感器的应用磁栅式传感器的应用 ( (1) )可作为

54、高精度的长度或角度测量仪器使可作为高精度的长度或角度测量仪器使用。由于可采用激光定位录磁，故可得到较高用。由于可采用激光定位录磁，故可得到较高的精度。目前系统精度可达的精度。目前系统精度可达0.01 mm/ /m，分，分辨力可达辨力可达15 m mm。 ( (2) )可用作自动化系统中的检测元件。例如可用作自动化系统中的检测元件。例如在三坐标测量机、程控数控机床及高精度重、在三坐标测量机、程控数控机床及高精度重、中型机床控制系统中，均有应用。中型机床控制系统中，均有应用。5.2 5.2 磁栅式传感器磁栅式传感器5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理5.2.2 5.2.2 测量系统测量系统

55、5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理 磁栅传感器磁栅传感器的的类型类型主要取决于磁栅主要取决于磁栅，可分为，可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅两大类。两大类。工作原理则主要取决于工作原理则主要取决于磁头磁头，有，有动态磁头动态磁头和和静态磁头静态磁头之分。之分。12NSN SNNSN SN S S1. .磁栅的类型磁栅的类型 基本结构如图所示，基本结构如图所示，基体是用非导磁材料做成基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁的，上面镀一层均匀的磁性薄膜。性薄膜。1磁性薄膜；磁性薄膜；2磁栅基体磁栅基体5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理 磁栅分磁栅分长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁

56、栅两大类。前者用于两大类。前者用于测直线位移或速度，磁信号节距一般为测直线位移或速度，磁信号节距一般为0.05 mm或或0.02 mm。后者用于测角位移或转速，磁信号。后者用于测角位移或转速，磁信号角节距为几到几十角分。角节距为几到几十角分。 NSNSSNS 长磁栅又分为长磁栅又分为尺型尺型、同轴同轴型型和和带型带型三种。尺型磁栅如图三种。尺型磁栅如图所示。工作时磁头沿磁尺的基所示。工作时磁头沿磁尺的基准面运动，不与磁尺接触，主准面运动，不与磁尺接触，主要用于精度要求较高的场合。要用于精度要求较高的场合。5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理 同轴型磁栅同轴型磁栅如图所示如图所示，磁头套

57、在磁棒上工作，磁头套在磁棒上工作，两者之间有微小的间隙。磁棒的工作区被磁头围两者之间有微小的间隙。磁棒的工作区被磁头围住，对周围磁场起到很好的屏蔽作用，所以抗干住，对周围磁场起到很好的屏蔽作用，所以抗干扰能力强。这种磁栅式传感器结构特别小巧，可扰能力强。这种磁栅式传感器结构特别小巧，可用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。NSSNNSSNSNNS5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理带型磁栅如图所示。带状磁尺的录磁与工作带型磁栅如图所示。带状磁尺的录磁与工作均在张紧状态下进行。磁头在接触状态下读取信均在张紧状态下进行。磁头在接触状态下读取信号，能在振动环

58、境中正常工作。为防止磁尺磨损，号，能在振动环境中正常工作。为防止磁尺磨损，可在磁尺表面涂上几可在磁尺表面涂上几m mm厚的保护层。这种磁栅式厚的保护层。这种磁栅式传感器量程较大。传感器量程较大。154321-磁尺；磁尺；2-软垫；软垫；3-防尘屏蔽罩；防尘屏蔽罩；4-上压板；上压板；5-拉紧板拉紧板5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理圆磁栅传感器如图所示。磁盘圆柱面上的磁圆磁栅传感器如图所示。磁盘圆柱面上的磁信号由磁头读取，磁头与磁盘之间应有微小间隙信号由磁头读取，磁头与磁盘之间应有微小间隙以免磨损。以免磨损。1231磁盘；磁盘；2屏蔽罩；屏蔽罩；3磁头磁头 5.2.1 5.2.1 类

59、型和原理类型和原理 2. .磁头类型、结构及工作原理磁头类型、结构及工作原理 按读取信号的方式，磁头有按读取信号的方式，磁头有动态磁头动态磁头与与静态静态磁头磁头两种。两种。 ( (1) )动态磁头动态磁头 动态磁动态磁头为头为非调制式磁头非调制式磁头，又称，又称速速度响应式磁头度响应式磁头，它只有一组，它只有一组线圈。铁心由铁镍合金片叠线圈。铁心由铁镍合金片叠成，前端夹着铜片，后端磨成，前端夹着铜片，后端磨光靠紧。光靠紧。5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理 设线圈匝数为设线圈匝数为N，磁信号节距为，磁信号节距为W。当磁头以。当磁头以速度速度 相对于长磁栅移动时，磁头中的磁通量相对于

60、长磁栅移动时，磁头中的磁通量 近近似按正弦规律变化，设其峰值为似按正弦规律变化，设其峰值为 m，可写成，可写成 )18. 5(2sinmWx5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理 由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电势势e，其表达式为，其表达式为 )19. 5(2cosddddddddWxAxNtxxNtNe 由上式可知，相对运动速度为零时无信号由上式可知，相对运动速度为零时无信号输出，因此它不适于测位移。输出，因此它不适于测位移。 5.2.1 5.2.1 类型和原理类型和原理( (2) )静态磁头静态磁头 静态磁头是静态磁头是调制式磁头调制式磁头，又