第7章磁电式1磁电式传感器

1、再见 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 第第7章章 磁电式传感器磁电式传感器 7.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器 7.2霍尔式传感器霍尔式传感器 7.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 又称磁电式传感器又称磁电式传感器, 利用利用电磁感应原理电磁感应原理将将被测量被测量（如振（如振动、位移、转速等）转换成动、位移、转速等）转换成电信号电信号。 磁电式传感器磁电式传感器不需要辅助电源不需要辅助电源就能就能把被测对象的机械量转换成把被测对象的机械量转换成易于测量易于测量的的电信号电信号, 有源有源传感器。传感器。 输出功率大，输出功率大， 性能稳定性能稳定, 具有一定的工作带宽（具有

2、一定的工作带宽（101000 Hz）, 普遍应用。普遍应用。 7.1.1 磁电感应式传感器工作原理磁电感应式传感器工作原理 wddte ddxBlBlvdtdte 磁电式传感器的分类：磁电式传感器的分类： 变变磁通式磁通式 恒恒磁通式。磁通式。 图图7 - 1是变磁通式磁电传感器是变磁通式磁电传感器, 用来测量旋转物体的用来测量旋转物体的角速度角速度。 图7-1 变磁通式磁电传感器结构图(a) 开磁路； (b) 闭磁路 开磁路 开磁路变磁通式：开磁路变磁通式： 线圈、磁铁静止不动，线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。在被测旋转体上，随被测体一起转动。

3、 每转动一个齿，每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路齿的凹凸引起磁路磁阻磁阻变化一次，变化一次，磁通磁通也就变化一次，线也就变化一次，线圈中产生圈中产生感应电势感应电势。 感应电动势的感应电动势的变化频率变化频率为：为： 被测被测转速转速与测量齿轮上与测量齿轮上齿数齿数的乘积。的乘积。 这种传感器结构简单，这种传感器结构简单， 但输出信号较小，但输出信号较小， 且因高速轴上加装齿轮较危险而不且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。宜测量高转速的场合。 闭磁路变磁通式传感器：闭磁路变磁通式传感器： 由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮

4、齿永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。数相同。 闭磁路 当转轴连接到被测转轴上时，外齿当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动。轮不动，内齿轮随被测轴而转动。 内、外齿轮的相对转动使内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻气隙磁阻产生产生周期性周期性变化，从而引起磁路中变化，从而引起磁路中磁通磁通的变化。的变化。 线圈内产生周期性变化的线圈内产生周期性变化的感应电动势感应电动势。 显然，感应电势的频率与被测转速成正显然，感应电势的频率与被测转速成正比。比。 图7-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a） 动圈式； (b) 动铁式 动圈式 动铁式 磁路系统产生恒定的直流磁场，磁磁路

5、系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中磁通路中的工作气隙固定不变，气隙中磁通恒定不变。恒定不变。 运动部件可以是线圈（动圈式），运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），工作原理完也可以是磁铁（动铁式），工作原理完全相同。全相同。 当壳体随被测振动体一起振动时，当壳体随被测振动体一起振动时，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势。而产生感应电势。0eB lW V B0工作气隙磁感应强度；工作气隙磁感应强度； l每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度；W线圈在工作气隙磁场中的匝数；线圈在工作气隙磁场中的匝数； v相对运动速

6、度。相对运动速度。 7.1.2 磁电感应式传感器基本特性磁电感应式传感器基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路时，当测量电路接入磁电传感器电路时，如图如图7-3所示。所示。ER传感器IoRf 磁电式传感器测量电路Rf 测量电路输入电阻；测量电路输入电阻； R线圈等效电阻，线圈等效电阻，Io 为为 磁电传感器的输出电流。磁电传感器的输出电流。 ooffB lWvEIRRRR 传感器的电流灵敏度为传感器的电流灵敏度为 ooIfIB lWSvRR 传感器的输出电压：传感器的输出电压： ofooffB lW vRUI RRR 输出电压灵敏度为输出电压灵敏度为 ofoUfB lW RUSvRR 当传感器

7、的工作温度发生变化或受当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差。量误差。 其其相对误差相对误差为为IIdSdBdldRSBlR 1. 非线性非线性误差误差 磁电式传感器产生非线性误差的主磁电式传感器产生非线性误差的主要原因：要原因： 传感器线圈内有电流传感器线圈内有电流 I 流过时，将流过时，将产生一定的交变磁通产生一定的交变磁通I ， 此交变磁通此交变磁通叠加叠加在永久磁铁所产生在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化

8、, 如图如图7-4所示。所示。 传感器电流的磁场效应 NSv 当传感器线圈运动速度增大时，将产当传感器线圈运动速度增大时，将产生较大的感应电势生较大的感应电势 e 和较大的电流和较大的电流 I 。 由此而产生的附加磁场方向与原工由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，作磁场方向相反，减弱了工作磁场减弱了工作磁场的作的作用，从而使得传感器的用，从而使得传感器的灵敏度灵敏度随着被测随着被测速度的增大而速度的增大而降低降低。 ooIfIB lWSvRRofoUfB lW RUSvRR 当线圈的运动速度与图当线圈的运动速度与图7-4所示方所示方向相反时，感应电势向相反时，感应电势e、线圈感应电流

9、、线圈感应电流反向，所产生的附加磁场方向与工作磁反向，所产生的附加磁场方向与工作磁场同向，从而场同向，从而增大增大了传感器的了传感器的灵敏度灵敏度。 ooIfIB lWSvRRofoUfB lW RUSvRR 传感器电流的磁场效应 NSv 结论：结论： 线圈运动速度线圈运动速度方向不同方向不同，传感器的，传感器的灵敏度灵敏度就具有不同的数值，就具有不同的数值， 导致传感器输出导致传感器输出基波基波能量降低，能量降低，谐谐波波能量增加。能量增加。 即这种非线性同时伴随着传感器输即这种非线性同时伴随着传感器输出的谐波失真。出的谐波失真。 显然，传感器灵敏度越高，线圈中显然，传感器灵敏度越高，线圈中

10、电流越大，这种非线性越严重。电流越大，这种非线性越严重。 为补偿上述附加磁场干扰，可在传为补偿上述附加磁场干扰，可在传感器中加入感器中加入补偿线圈补偿线圈。 补偿线圈通以放大补偿线圈通以放大 K 倍的电流。倍的电流。 适当选择补偿线圈参数，可使其产适当选择补偿线圈参数，可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通交变磁通相互抵消相互抵消， 从而达到补偿的目的。从而达到补偿的目的。 2. 温度误差温度误差 IIdSdBdldRSBlR 当温度变化时，上式右边三项都不当温度变化时，上式右边三项都不为零。为零。 对对铜线铜线而言每摄氏度变化量为：而言每摄氏度变

11、化量为： dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2， dB/B每摄氏度的变化量决定于永每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。久磁铁的磁性材料。 对对铝镍钴铝镍钴永久磁合金，永久磁合金， dB/B0.0210-2， 近似值如下：近似值如下： 4.5%10tC 这一数值很可观，这一数值很可观， 需要进行温度补偿。需要进行温度补偿。 通常采用通常采用热磁分流器热磁分流器。 热磁分流器由具有很大热磁分流器由具有很大负温度系数负温度系数的的特殊磁性材料特殊磁性材料做成。做成。 热磁分流器在正常工作温度下已将热磁分流器在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。空气隙磁通分路掉一小部分

12、。 当温度升高时，当温度升高时， 热磁分流器的磁导热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低；通的比例较正常工作温度下显著降低； 从而保持空气隙的工作磁通不随温从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。度变化，维持传感器灵敏度为常数。 作业作业 p.120 71 72 71 简述变磁通式和恒磁通式磁电传简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。感器的工作原理。72 磁电式传感器的误差及其补偿方磁电式传感器的误差及其补偿方法是什么法是什么? 7.1.3 磁电感应式传感器的测量电路 图7-5 磁电式传感

13、器测量电路方框图 磁电式传感器量程选择前置放大积分电路微分电路主放大器显示或记录SW 7.1.4 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用 1. 动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器 图图7-6 是动圈式振动速度传感器的是动圈式振动速度传感器的结构示意图。结构示意图。图7-6 动圈式振动速度传感器 其结构主要特点是，钢制圆形外壳，其结构主要特点是，钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，固定成一体， 永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过

14、圆形膜片支撑架空且与外壳相连。端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。 工作时，传感器与被测物体刚性连工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时，接，当物体振动时， 传感器外壳和永传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。和阻尼环因惯性而不随之振动。 因而，磁路空气隙中的线圈切割磁因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。路。 该传感器测量的是振动速度参数，该传感器测量的是振动速度参数，若在测量电路中

15、接入积分电路，则输若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；出电势与位移成正比； 若在若在测量电路中接入微分电路，测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。则其输出与加速度成正比。 2. 磁电式扭矩传感器磁电式扭矩传感器 图图7-7是磁电式扭矩传感器的工作是磁电式扭矩传感器的工作原理图。原理图。 在驱动源和负载之间的扭转轴的两在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。侧安装有齿形圆盘。测量仪表21齿形圆盘扭转轴磁电传感器磁电传感器u1u2uu1u2t图图7-7 磁电式扭矩传感器工作原理图磁电式扭矩传感器工作原理图 它们旁边装有相应的两个磁电传感它们旁边装有相应的两个磁电传

16、感器。磁电传感器的结构见图器。磁电传感器的结构见图7-8所示。所示。 传感器的检测元件部分由永久磁铁、传感器的检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。交链。图7-8 磁电式传感器结构图 当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中发生变化，在线圈中感应出交流电压，感应出交流电压， 其频率在数值上等于圆盘上齿数与转其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。数的乘积。 当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压电传感器输出的感应电压u1和和u2存在相存在相位差。位差。 这个相位差与扭转轴的扭转角成正这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。比。 这样，传感器就可以把扭矩引起的这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。扭转角转换成相位差的电信号。 再见再见 作业作业 p.120 71