磁电式传感器

1、1 2 第5章 磁电式传感器 磁电式传感器是一种通过磁电作用，将被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。常用的磁电式传测量转换成电信号的传感器。常用的磁电式传感器有感器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、霍霍尔式传感器尔式传感器及各种及各种磁敏元件磁敏元件等。等。 5.1 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器简称磁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

2、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(101000Hz)，所以得到普遍应用。，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 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 传感器机电5.1 磁电感应式传感器5.1.1 5.

3、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 5.1.1 工作原理和结构形式 根据根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中，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，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为线圈中所产生的感应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

4、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 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

5、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 工作原理和结构形式vNS15432NS12345(b)动铁式(a)动圈式1弹簧；2线圈骨架；3壳体；4永久磁铁；5线圈 5.1.1 工作原理和结构形式5.1.1 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

6、.1.1 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，感应电势当传感器的结构一定时，感应电势e正比于正比于线圈与磁场的相对运动速度线圈与磁场的相对运动速度 。磁电感应式传感。磁电感应式传感器器只适用于动态测量只适用于动态测量。这种传感器的基型是一种。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速度传感器，若在测量电路中加上积分或微分电路，也

7、可测位移或加速度。路，也可测位移或加速度。 5.1.1 工作原理和结构形式 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，但输变磁通式传感器对环境条件要求不高，但输出电势取决于切割磁力线的速度，速度太低时，出电势取决于切割磁力线的速度，速度太低时，输出电势很小，将导致无法测量。所以这种传感输出电势很小，将导致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，开磁路式一般为器有一个下限工作频率

8、，开磁路式一般为50Hz，闭磁路式可降至闭磁路式可降至30Hz左右。左右。5.1.1 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 取决于取决于齿轮的齿数齿轮的齿数z和转速和转速n(单位为单位为r/min)，它们的关系，它们的关系为为 ).(3560zfn 这种传感器结构这种传感器结构简单，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；2线圈；3软铁；4永久磁铁 N S14325.1.1 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

9、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；4永久磁铁；5外齿轮；6内齿轮 24565.1.2 动态特性 它是双向的机它是双向的机- -电型传感器，可借助双向传电型传感器，可借助双向传感器理论分析其动态特性，详细推导参考以下文感器理论分析其动态特性，详细推导参考以下文献。献。 1.1.单成祥，传感器的理论与设计基础及其应单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用，国防工业出版社。用，国防工业出版社。 2.2.贾伯年，传感器技术

10、贾伯年，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。5.1.2 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。RfevNS5.1.2 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 w0，质量为，质量为m；电磁阻尼系数为电磁阻尼系数为c。则其传递函数为。则其传递函数为).()(1)()(45j1jf220RBlNcmBlNHww

11、ww5.1.2 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)分母中的分母中的第二项占主导地位，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 动态特性/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 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

12、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。).()(1)()(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 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 动态特性 频率更高时，因频率更高时，因线

13、圈阻抗增大，灵敏度线圈阻抗增大，灵敏度将随频率的增加而下降。将随频率的增加而下降。/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5.1.3 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：磁路计算、线圈设计、固有频率计算、弹簧设计、路计算、线圈设计、固有频率计算、弹簧设计、阻尼系数的估算和阻尼器设计等。阻尼系数的估算和阻尼器设计等。 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。永磁系统磁路设。永磁系统

14、磁路设计的一般方法是，先由传感器外形尺寸计的一般方法是，先由传感器外形尺寸(通常由技通常由技术条件给定术条件给定)确定其大致尺寸，然后选取工作气隙确定其大致尺寸，然后选取工作气隙尺寸及永久磁铁的材料和工作点，最后计算永久尺寸及永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。磁铁的尺寸和工作气隙中的磁感应强度。 5.1.3 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 . 5(mmBSKSB式中，式中，S为工作气隙圆柱面为工作气隙圆柱面面积，面积，S，B。 增大增大D可增加每

15、匝线圈的长度，但工作气可增加每匝线圈的长度，但工作气隙中磁感应强度隙中磁感应强度B降低，传感器体积和重量也增降低，传感器体积和重量也增加。加。5.1.3 设计要点 增大增大d可增加线圈匝数，但也会导致可增加线圈匝数，但也会导致B降降低。且低。且d越大，工作气隙中磁场越不均匀，会导越大，工作气隙中磁场越不均匀，会导致输出特性非线性增加。为保证传感器有较高的致输出特性非线性增加。为保证传感器有较高的灵敏度和较好的线性，必须在足够大的灵敏度和较好的线性，必须在足够大的窗口面积窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小和所需加工安装精度的前提下，尽量减小d。dNSlmDmld)6 . 5(mmHdK

16、lHl式中，式中，H为工作气隙中磁场为工作气隙中磁场强度，强度，d，H，B。5.1.3 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/ /ld 1/ /4。5.1.3 设计要点 (2)材料与工作点的选择材料与工作点的选择 永久磁铁由永永久磁铁由永磁合金制成，是提供工作气隙磁能的能源。磁合金制成，是提供工作气隙磁能的能源。分析表明，使永久磁铁工作在最大分析表明，使永久磁铁工作在最大磁能积磁能积(即即Bm与与Hm

17、的乘积的乘积)上，磁铁的体积可最小，参上，磁铁的体积可最小，参考式考式(5.10)，这是确定永久磁铁工作点的原则。，这是确定永久磁铁工作点的原则。).()/(105mmm0VKKVHBBl5.1.3 设计要点 常用材料性能如下常用材料性能如下 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和和矫顽力矫顽力Hc都较大。都较大。 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。 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 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，另

18、一种是由直线积曲线，另一种是由直线OP得到。去磁曲线与得到。去磁曲线与材料有关。材料有关。 O()BH()BHmaxBBrBmHmHcHPD磁能积曲线去磁曲线 对动态磁路，对动态磁路，工作点通常不在去工作点通常不在去磁曲线上而是在局磁曲线上而是在局部磁滞回环上来回部磁滞回环上来回移动。移动。5.1.3 设计要点 永久磁铁材料的选择是根据永磁体的尺寸参永久磁铁材料的选择是根据永磁体的尺寸参数来确定的，参考式数来确定的，参考式(5.6)。 )6 . 5(mmHdKlHl 当给定的气隙当给定的气隙d较小，希望永久磁铁的长较小，希望永久磁铁的长度度lm大时，则必须减小大时，则必须减小Hm。所以要选取矫

19、顽力。所以要选取矫顽力Hc小而剩余磁感应强度小而剩余磁感应强度Br大的材料。大的材料。 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 设计要点 (3)(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

20、律，得 )6 . 5()5 . 5(mmmmHdKlHBSKSBldNSlmDmld5.1.3 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，于是工作气隙的截，于是工作气隙的截面积为面积为 ).(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D l/ /p p，则永久磁铁直径为，则永久磁铁直径为Dm D d，截面积为，截面积为 ).(/8542mmDSdNSlmDmld5.1.3 设计要点 将式将式(5.5)与式与式(5.6)两边相除，并考虑到在两边相除，并考虑到在工作气隙中工作气隙中B 0

21、H(空气的空气的 r1)，及图，及图5.6中的关中的关系，得永久磁铁的长度为系，得永久磁铁的长度为 ).(95tan0m0cmr0mmmmSKdSKSKHdSKBSKHdSKBllllO()BH()BHmaxBBrBmHmHcHPD磁能积曲线去磁曲线 将式将式(5.5)与式与式(5.6)两边相乘，并考虑到气隙两边相乘，并考虑到气隙体积体积V=Sd，磁铁体积，磁铁体积Vm=Smlm，及，及B 0H，得，得 5.1.3 设计要点).()/(105mmm0VKKVHBBl5.1.3 设计要点 2.2.线圈组件设计线圈组件设计 线圈厚度线圈厚度h=(D3 D2)/ /2，骨架厚度骨架厚度t=(D2 D

22、1)/ /2，为保，为保证线圈组件在工作气隙中灵证线圈组件在工作气隙中灵活运动，不发生摩擦，应满活运动，不发生摩擦，应满足足(5.11)dththLD1D2D35.1.3 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 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

23、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。当选定为导线直径。当选定dw以后，以后，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 则每层匝数为则每层匝数为 N0=f1 L/ / dw5.1.3 设计要点 设线圈共绕制设线圈共绕制n层，则层，则 h = nf2 dw 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/(/(f2 dw) ) 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

24、隙中线圈匝数用Nd表示，则表示，则 Nd = Nld/ /L = nN0ld/ /L 5.1.3 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 设计要点 3.3.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

25、特性可知，只根据动态特性可知，只有物体的振动频率高出其固有频率许多时，才能有物体的振动频率高出其固有频率许多时，才能保证一定的测量精度。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 w02=k/ /m。但选择柔软的弹簧有利于减小传感器体积与重量，但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，不必要求固有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围、允频率太低，需综合考虑物体振动的频率范围、允许振幅误差等因素。许振

26、幅误差等因素。5.1.3 设计要点 (2)弹簧刚度弹簧刚度 当传感器的固有角频率当传感器的固有角频率w w0及及动圈动圈(或动铁或动铁)部分的质量部分的质量m已知时，可根据已知时，可根据k=mw w02计算出弹簧刚度计算出弹簧刚度k。但这里计算的是。但这里计算的是总刚总刚度度。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，工作，总刚度等于两个弹簧刚度的和。选取每个弹簧之总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刚度的原则是，在静止状态下应使质量块保持在传感器的中间位置。传感器的中间位置。 5.1.3 设计要点 (3)阻尼系

27、数及其计算阻尼系数及其计算 磁电感应式传感器中，磁电感应式传感器中，适当地引入阻尼不仅可衰减自由振荡，还可降低适当地引入阻尼不仅可衰减自由振荡，还可降低共振峰，改善频响特性，提高测量精度。共振峰，改善频响特性，提高测量精度。 常用常用的阻尼器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阻尼电磁阻尼器器，它们各有特点。电磁阻尼器，它们各有特点。电磁阻尼器(往往就是线圈往往就是线圈的金属骨架的金属骨架)结构简单，阻尼系数受温度影响也结构简单，阻尼系数受温度影响也不大，故较多采用。不大，故较多采用。 5.1.3 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

28、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 设计要点 设金属骨架的平均直设金属骨架的平均直径为径为D，厚度为，厚度为t，电阻率，电阻率为为r r。当它以速度。当它以速度 在工作在工作气隙中作垂直于磁场方向气隙中作垂直于磁场方向的运动时，对于的运动时，对于理想的粘理

29、想的粘性阻尼性阻尼(阻尼力与速度阻尼力与速度 成成正比正比)，忽略漏磁和杂散磁，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 NSldDtv).(/135d2rtlDBc 5.1.3 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，传感后，传感器的电磁阻尼系数器的电磁阻尼系数c与阻尼比与阻尼比x x( (一般取一般取0.6 0.7) )的关系为的关系为 ).(14520 xwmc 可通过改变骨架厚度可通过改变骨架厚度t来调节电磁阻尼器来调节电磁阻尼器阻尼的大小，以得到较好的频响特性。阻尼的大小，以得到较好的频响特性。 5.1.4 误差及补偿 接入测量电路后

30、，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。传感器的电流灵敏度为式中，式中，L = lN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 误差及补偿 当传感器的工作温度发生变化或受到外界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，其灵敏度将发磁场干扰、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生变化而产生测量误差。电流灵敏

31、度的相对误差为差为)16. 5(ddddiiiRRRLLBBSS5.1.4 误差及补偿 1.1.永久磁铁稳定性分析永久磁铁稳定性分析 永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工永久磁铁磁感应强度的稳定性直接影响工作气隙中磁感应强度作气隙中磁感应强度B的稳定性。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

32、内应力。在充磁前进行退火处理，消除内应力。5.1.4 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。 (3)温度的影响温度的影响 试验表明，温度试验表明，温度，永久磁，永久磁铁的剩余磁感应强度铁的剩余磁感应强度，且一般不能恢复到原位置，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。铝恢复程度主要与材料冶金结构的稳定性有关。铝

33、镍钴永磁合金在冶金结构上有较高的温度稳定性，镍钴永磁合金在冶金结构上有较高的温度稳定性，在在500以下工作时，磁性能几乎不变。以下工作时，磁性能几乎不变。5.1.4 误差及补偿 其温度稳定性与工作点的位置也有关系，工其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3 5次温度稳定性循环处理。次温度稳定性循环处理。 (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后，内应力增加，部分磁分子排列发生变化，作用后

34、，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，一般将充磁后的永久磁导致磁性能变坏。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冲击铁按一定技术要求，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的最试验，振动和冲击值取今后工作中可能遇到的最大值。大值。5.1.4 误差及补偿 2.2.温度误差温度误差 当温度变化时，式当温度变化时，式(5.16)中的三项都不为零。中的三项都不为零。对铜线，对铜线，dL/ /L0.16710 4/，dR/ /R 0.4310 2/。dB/ /B取决于永久磁铁的材料。取决于永久磁铁的材料。对铝镍钴永久磁合金，对铝镍钴

35、永久磁合金，dB/ /B 0.0210 2/，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，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 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

36、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增加及增加及磁铁剩余磁感应强度磁铁剩余磁感应强度减小造成的输出减小造成的输出减小，维持传感器灵敏度为常数。减小，维持传感器灵敏度为常数。 5.1.4 误差及补偿5.1.4 误差及补偿 3.3.非线性误差分析非线性误差分析 (1)(1)线圈的磁场效应线圈的磁场效应 产生非线性误差的主产生非线性误差的主要原因是，传感器线圈内有电流流过，将产生与要原因是，传感器线圈内有电流流过，将产生与工作磁通相反的磁通。线圈运动速度越大，反向工作磁通相反的磁通。线圈运动速度越大，反向磁场越强，使得传感器的灵敏度随着

37、被测速度的磁场越强，使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。增大而降低。5.1.4 误差及补偿 为此，可加入补为此，可加入补偿线圈。补偿线圈可偿线圈。补偿线圈可以和工作线圈串联但以和工作线圈串联但绕向相反。也可让补绕向相反。也可让补偿线圈中通过由测量偿线圈中通过由测量电路反馈的放大后的电路反馈的放大后的电流，则补偿线圈的电流，则补偿线圈的匝数可较少。匝数可较少。 12NS1工作线圈；2补偿线圈5.1.4 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导磁帽上用机械方法强行固定一个与主磁钢充磁方向相定一个与主磁钢充磁方向相反的铂钴磁片，把主磁钢的反的铂钴磁片，把

38、主磁钢的磁力线大部分压到工作气隙磁力线大部分压到工作气隙中。这样做，既可减少轴向中。这样做，既可减少轴向漏磁，提高磁钢的利用系数，漏磁，提高磁钢的利用系数，又可使磁场的均匀性增加，又可使磁场的均匀性增加，非线性误差减小。非线性误差减小。 12NS1铂钴磁片； 2磁帽 5.1.4 误差及补偿 (3)(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，精电磁阻尼器时，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。度要求较高时，最好不要用电磁阻尼器。5.1.5 测量电路 磁电感应式传感器直接输出感应电势，且磁电感应式传感器

39、直接输出感应电势，且通常具有较高的灵敏度，因而对测量电路一般通常具有较高的灵敏度，因而对测量电路一般无特殊要求。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，即输出信号与振动速度成比例。如要进一步获取振动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，可配用适当的积分电路或位移或振动加速度，可配用适当的积分电路或微分电路。微分电路。5.1.5 测量电路 选择开关选择开关Sw接通线接通线1时，得到的是振动速时，得到的是振动速度信号。度信号。Sw接通线接通线2时，经过积分电路处理，时，经过积分电路处理，得到的是振动位移信号。接通线得到的是振动位移信号。接通线3时，得到的是

40、时，得到的是振动加速度信号。振动加速度信号。 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Sw1235.1.6 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对，另一个的定子槽与转子齿相对。子槽与

41、转子齿相对。5.1.6 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，

42、则扭转角 和感和感应电势附加相位差应电势附加相位差F F的关系为的关系为 )17. 5(Fz5.1.6 应用举例磁电感应式扭矩仪示意图5.1.6 应用举例 2.2.测振传感器测振传感器 图示是图示是CD-1型振动速度传感器的结构原理。型振动速度传感器的结构原理。灵敏度灵敏度600mV/ /(cm/ /s)；最大可测位移；最大可测位移 1mm；最；最大可测加速度大可测加速度50m/ /s2；频率范围；频率范围10500Hz；线性；线性度度5%；属绝对振动传感器；固有频率；属绝对振动传感器；固有频率12Hz；线圈；线圈内阻内阻1.9kW W。 3 4 56718125.1.6 应用举例 工作时，传

43、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，产生正比于振动速度的动，线圈切割磁力线，产生正比于振动速度的感应电动势。通过积分电路或感应电动势。通过积分电路或微分电路，可测微分电路，可测位移位移或加速度。或加速度。5.1.6 应用举例 3.3.磁电感应式流量计磁电感应式流量计 它它基于磁电感应原理。导管绝缘，只要被测基于磁电感应原理。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流体

44、是导电的，水平方向的两电极上就感应出电势。感应电势和流体平均流速成正比，也就和单势。感应电势和流体平均流速成正比，也就和单位时间内通过导管横截面的流体体积位时间内通过导管横截面的流体体积(即流量即流量)成成正比。正比。NS差动放大输出5.1.6 应用举例 这种流量计虽要求流体必须是导电的，但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，它无机械可动部分，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不受流体粘度的影响，受流速分布的影响也较小，具有很宽的测量范围小，具有很宽的测量范围(0.005190000m3/ /h)及较高的测量精度及较高的测量精

45、度(可达可达0.5%)，并且可以双向，并且可以双向测量流量。测量流量。5.1.6 应用举例 4.4.磁电式力发生器与激振器磁电式力发生器与激振器 磁电式传感器是双向传磁电式传感器是双向传感器，给工作线圈输入电量感器，给工作线圈输入电量时，就可输出机械量。根据时，就可输出机械量。根据这一原理，可构成挠性陀螺这一原理，可构成挠性陀螺力矩器、电磁振动台等输出力矩器、电磁振动台等输出机械量的装置。其中，机械量的装置。其中，电磁电磁振动台振动台作为激振器是机械结作为激振器是机械结构动态试验的重要设备。构动态试验的重要设备。 1234567181支承弹簧；2壳体；3磁钢；4顶杆；5铁心；6磁极；7线圈；8

46、试件 5.2 磁栅式传感器 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。磁组成。磁栅是利用磁带录音的原理，将周期变化的电信栅是利用磁带录音的原理，将周期变化的电信号号(正弦波或矩形波正弦波或矩形波)转换成圆形或长条形磁栅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上等间距的磁信号。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，即可工作时，磁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。转换成电信号。 5.2 磁栅式传感器 磁栅式传感器的特点磁栅式传感器的特点 ( (1)

47、 )录制方便，成本低廉，发现录制的磁栅录制方便，成本低廉，发现录制的磁栅信号不合适可抹去重录。信号不合适可抹去重录。 ( (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，可以在节距录制时加以考虑。以在节距录制时加以考虑。5.2 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)可以作为高精度的长度或角度测量仪器可以作

48、为高精度的长度或角度测量仪器用。由于可以采用激光定位录磁，而不需要采用。由于可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因而可以得到较高的精用感光、腐蚀等工艺，因而可以得到较高的精度。目前可以做到系统精度为度。目前可以做到系统精度为0.01mm/ /m，分辨力可达分辨力可达15 m。 (2)可以用于自动化系统中的检测元件。例可以用于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、如在三坐标测量机、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 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

49、 测量系统测量系统 5.2.1 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，磁栅可，磁栅可分为分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅两大类。两大类。工作原理则主要取工作原理则主要取决于磁头决于磁头，磁头有，磁头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 S1.1.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基体是用非导磁材料做成的，上面镀一层均匀成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜。的磁性薄膜。1磁性薄膜； 2磁栅基体5.2.1 类型和原理 磁栅分磁栅分长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅两大类。前者用于两大

50、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0.05mm或或0.02mm。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。尺型磁栅外形三种。尺型磁栅外形如图所示。工作时磁头架沿磁如图所示。工作时磁头架沿磁尺的基准面运动，不与磁尺接尺的基准面运动，不与磁尺接触，主要用于精度要求较高的触，主要用于精度要求较高的场合。场合。5.2.1 类型和原理 同轴型磁栅同轴型磁栅如图所示如图所示，磁头套在磁棒上工作，磁头套在磁棒上工作，两

51、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 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

52、。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厚的保护层，调节张紧预厚的保护层，调节张紧预变形量可在一定程度上补偿带状尺的累积误差与变形量可在一定程度上补偿带状尺的累积误差与温度误差。这种磁栅式传感器量程较大。温度误差。这种磁栅式传感器量程较大。 154321磁尺；2软垫；3防尘 屏 蔽 罩 ；4上压板；5拉紧板 5.2.1 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；2屏蔽罩；3磁头 5.2.1 类型和原理 2 2.

53、.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 动态磁头动态磁头为为非调制式磁头非调制式磁头，又称，又称速度速度响应式磁头响应式磁头，它只有一组线，它只有一组线圈。图示为动态磁头的实例，圈。图示为动态磁头的实例，其铁心由铁镍合金片叠成，其铁心由铁镍合金片叠成，前端夹着铜片，后端磨光靠前端夹着铜片，后端磨光靠紧。紧。5.2.1 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。当磁头以速度以速度 相对于长磁栅移动时，磁头中的磁通量相对于长磁栅移

54、动时，磁头中的磁通量 近似按正弦规律变化，设其峰值为近似按正弦规律变化，设其峰值为 m，可写成，可写成 )18. 5(2sinmWx5.2.1 类型和原理 由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电势由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电势e，其表达式为，其表达式为 )19. 5(2cosdddddddd)(WxAxNtxxNtNe 由式由式(5.19)可知，相对运动速度为零时无信可知，相对运动速度为零时无信号输出，因此它不适于测位移。号输出，因此它不适于测位移。 5.2.1 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，又称称磁通响应式磁头磁通响应式磁头。它与动态

55、磁头的区别在于，。它与动态磁头的区别在于，在磁头与磁栅之间无相对运动的情况下也有信号在磁头与磁栅之间无相对运动的情况下也有信号输出。输出。 5.2.1 类型和原理 磁栅漏磁通磁栅漏磁通 0的一部分的一部分 2通过磁通过磁头铁心，另一部头铁心，另一部分分 3通过气隙。设通过气隙。设气隙磁阻为气隙磁阻为RQ，铁心磁阻为铁心磁阻为RT，则则 )20. 5(TQQ02RRRe0u0SPNSN SNNSN SN5.2.1 类型和原理 一般可认为一般可认为RQ不变，不变，RT则与励磁线圈所产则与励磁线圈所产生的励磁磁通生的励磁磁通 1有关。有关。P、S两段铁心的横截面积两段铁心的横截面积很小，很容易被很小

56、，很容易被 1饱和。在励磁电压饱和。在励磁电压u变化的一变化的一个周期内，铁心被饱和两次。铁心饱和时，个周期内，铁心被饱和两次。铁心饱和时，RT很很大，大， 2不能通过。设励磁电源角频率为不能通过。设励磁电源角频率为w w，可近，可近似认为似认为).()(2152sin2002taaw式中，式中，a0、a2为与磁头结构参数有关的常数。为与磁头结构参数有关的常数。5.2.1 类型和原理 在磁栅和磁头之间不发生相对运动的情况下，在磁栅和磁头之间不发生相对运动的情况下， 0为一常量。设输出绕组匝数为为一常量。设输出绕组匝数为N2，则输出绕组中，则输出绕组中产生的感应电势产生的感应电势e0为为).(2

57、252cosdd0220tktNew漏磁通漏磁通 0的表达式类似于式（的表达式类似于式（5.18），则），则).(2352cos2sinm0tWxkew 可见，静态磁头是利用其磁阻的变化来产生可见，静态磁头是利用其磁阻的变化来产生感应电势的。感应电势的。5.2.1 类型和原理 磁头铁心由四种不同形状的铁镍合金片磁头铁心由四种不同形状的铁镍合金片(铜片铜片)叠合，每片厚度为叠合，每片厚度为W/ /4，形成了很多分磁头。，形成了很多分磁头。 铜片ABCBDBCBAN2N1放大ABCD5.2.1 类型和原理 由于由于A与与C、C与与D各各相距相距W/ /2，对磁栅磁场的，对磁栅磁场的基波成分，若基波

58、成分，若A片对准片对准N极，极，则则C片对准片对准S极，极，D片对准片对准下一个下一个N极，进入铁心的极，进入铁心的漏磁通在漏磁通在C片的中部是相片的中部是相互加强的。输出线圈套在互加强的。输出线圈套在C片中部，输出电势得到片中部，输出电势得到加强。加强。ABCBD000NNSNSN5.2.1 类型和原理 对磁场的偶次谐波成分，对磁场的偶次谐波成分，A、C、D等都等都对准同名极，铁心中无磁通通过，这样就消除对准同名极，铁心中无磁通通过，这样就消除了偶次谐波的影响。了偶次谐波的影响。SNSNSNSNNABCBDN5.2.1 类型和原理 上述磁头结构能把基波成分叠加起来，上述磁头结构能把基波成分叠

59、加起来，气隙数气隙数n越大，输出信号也越大。但越大，输出信号也越大。但n也不也不能太大，否则不仅会使体积加大，还会使能太大，否则不仅会使体积加大，还会使叠片厚度加工误差的影响加大。因此常取叠片厚度加工误差的影响加大。因此常取n 30 50，同时还应限制叠片厚度的总误，同时还应限制叠片厚度的总误差不得超过差不得超过 W/ /10。5.2.1 类型和原理 励磁绕组的安匝励磁绕组的安匝数数I1N1应足以使应足以使P、S段的磁通饱和。但段的磁通饱和。但I1N1太大时，磁路饱和时太大时，磁路饱和时间过长，使间过长，使 2大部分时大部分时间处于被切断状态，间处于被切断状态，也会使输出变小。也会使输出变小。

60、 e0u0SPNSN SNNSN SN5.2.1 类型和原理 在绕制励磁线圈时还要注意励磁桥路在绕制励磁线圈时还要注意励磁桥路的平衡。若不平衡，即使没有磁栅，输出的平衡。若不平衡，即使没有磁栅，输出绕组也会有信号输出。绕组也会有信号输出。 N2N15.2.1 类型和原理 3.3.误差分析误差分析 磁栅传感器的误差包括磁栅传感器的误差包括零位误差零位误差与与细分误细分误差差。 影响零位误差的因素有：影响零位误差的因素有：磁栅节距误差；磁栅节距误差；磁栅安装与变形误差；磁栅安装与变形误差；磁栅剩磁变化引起磁栅剩磁变化引起的零位漂移；的零位漂移；外界电磁场干扰等。外界电磁场干扰等。5.2.1 类型和