【課件】傳感器與檢測技術磁電式傳感器原理及應用

1、 1 1 了解磁電式傳感器的工作原理和它了解磁電式傳感器的工作原理和它的特點。的特點。 2 2 理解變磁通式和恒磁通式磁電傳感理解變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理和應用。器的工作原理和應用。主要內容：主要內容：磁電式傳感器機械能機械能電電 量量 當線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產生的感當線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產生的感應電勢應電勢e為為式中式中 B ：工作氣隙磁感應強度；：工作氣隙磁感應強度； N：線圈處于工作氣隙磁場中的匝數，稱為工作匝數；：線圈處于工作氣隙磁場中的匝數，稱為工作匝數； l ：每匝線圈的平均長度：每匝線圈的平均長度; v ：線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度線

2、圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度(ms-1)。 線圈在磁場中作旋轉運動時產生感應電動勢的磁電傳線圈在磁場中作旋轉運動時產生感應電動勢的磁電傳感器，它相當于一臺發(fā)電機。如果線圈以角速度感器，它相當于一臺發(fā)電機。如果線圈以角速度w旋轉，旋轉，則產生的電動勢為則產生的電動勢為 式中式中 B ：工作氣隙磁感應強度；工作氣隙磁感應強度； N：線圈處于工作氣隙磁場中的匝數，稱為工作匝數；線圈處于工作氣隙磁場中的匝數，稱為工作匝數； w ：線圈相對于磁場作旋轉的角速度；線圈相對于磁場作旋轉的角速度； S ：單匝線圈的截面積；單匝線圈的截面積；磁通量的變化實現辦法: 磁鐵與線圈之間做相對運動； 磁路中磁阻的變

3、化； 恒定磁場中線圈面積的變化。根據以上原理有兩種磁電感應式傳感器：根據以上原理有兩種磁電感應式傳感器： 恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場運動部件恒磁通式：磁路系統(tǒng)恒定磁場運動部件 可以是線圈也可以是磁鐵?？梢允蔷€圈也可以是磁鐵。 變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動， 轉動物體引起磁阻、磁通變化。轉動物體引起磁阻、磁通變化。 恒磁通式恒磁通式變磁通式變磁通式（a）開磁路 （b）閉磁路動鐵型動鐵型動圈型動圈型 在動圈式中，永久磁鐵在動圈式中，永久磁鐵4與傳感器殼體與傳感器殼體5固定，固定，線圈線圈3和金屬骨架和金屬骨架1（合稱線圈組件）用柔軟彈簧（合稱線圈組件）用柔軟彈簧2支承

4、支承。 e直線式直線式=-=-NBlv (1)(1) e角速度式角速度式=-=-NBSw (2)式中：式中：B磁場強度；磁場強度； l單圈匝線的有效長度；單圈匝線的有效長度； N 匝數；匝數； v直線速度；直線速度； w角速度；角速度； S單匝線圈的截面積單匝線圈的截面積。 由由(1)、(2)式可知：式可知： e直線式直線式v = dx/dt e角速度式角速度式w = d/dt 因此，電磁式傳感器可直接測量因此，電磁式傳感器可直接測量v 和和。 在動鐵式中，線圈組件（包括件在動鐵式中，線圈組件（包括件3和件和件1）與殼體）與殼體5固定，永久磁鐵固定，永久磁鐵4用柔軟彈簧用柔軟彈簧2支承。兩者的

5、阻尼都是由支承。兩者的阻尼都是由金屬骨架金屬骨架1和磁場發(fā)生相對運動而產生的電磁阻尼和磁場發(fā)生相對運動而產生的電磁阻尼。 動圈、動鐵都是相對于傳感器動圈、動鐵都是相對于傳感器殼體而言。當殼體隨被測振動殼體而言。當殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質量相對較大，因此運動部件質量相對較大，因此振動頻率足夠高振動頻率足夠高（遠高于傳感（遠高于傳感器的固有頻率）時，運動部件器的固有頻率）時，運動部件的的慣性很大慣性很大，來不及跟隨振動來不及跟隨振動體一起振動，近于靜止不動，體一起振動，近于靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收。振動能量幾乎全被彈簧吸收。永久磁鐵

6、與線圈之間的相對運永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體的振動速動速度接近于振動體的振動速度。磁鐵與線圈相對運動使線度。磁鐵與線圈相對運動使線圈切割磁力線，產生與運動速圈切割磁力線，產生與運動速度度v成正比的感應電動勢。成正比的感應電動勢。 由理論推導可得，當振動頻率低于傳感器的固有頻率時，由理論推導可得，當振動頻率低于傳感器的固有頻率時，這種傳感器的靈敏度（這種傳感器的靈敏度（e/v）是隨振動頻率而變化；當振動頻）是隨振動頻率而變化；當振動頻率遠大于固有頻率時，傳感器的靈敏度基本上不隨振動頻率率遠大于固有頻率時，傳感器的靈敏度基本上不隨振動頻率而變化，而近似為常數；當振動頻率更高時，線

7、圈阻抗增大，而變化，而近似為常數；當振動頻率更高時，線圈阻抗增大，傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。 不同結構的恒定磁通磁電感應式傳感器的頻率響應特性不同結構的恒定磁通磁電感應式傳感器的頻率響應特性是有差異的，但一般頻響范圍為幾十赫至幾百赫。是有差異的，但一般頻響范圍為幾十赫至幾百赫。 圖圖(a)為開磁路變磁通式為開磁路變磁通式:線線圈、圈、 磁鐵靜止不動磁鐵靜止不動, 測量齒輪測量齒輪安裝在被測旋轉體上安裝在被測旋轉體上, 隨之一隨之一起轉動。每轉動一個齒起轉動。每轉動一個齒, 齒的齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次凹凸引起磁路磁阻變化一次, 磁通也就變化一次磁通

8、也就變化一次, 線圈中產線圈中產生感應電勢生感應電勢,其其變化頻率等于被變化頻率等于被測轉速與測量齒輪齒數的乘積。測轉速與測量齒輪齒數的乘積。這種傳感器結構簡單這種傳感器結構簡單, 但輸出但輸出信號較小信號較小, 且因高速軸上加裝且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉速。齒輪較危險而不宜測量高轉速。 n:被測物轉速被測物轉速(r/min); N:定子或轉子端面的齒數。定子或轉子端面的齒數。 圖圖(b)為閉磁路變磁通式為閉磁路變磁通式, 被測轉被測轉軸軸1帶動橢圓形測量輪帶動橢圓形測量輪2在磁場氣隙在磁場氣隙中等速轉動，使氣隙平均長度周期中等速轉動，使氣隙平均長度周期性地變化，磁路磁阻也周期性

9、地變性地變化，磁路磁阻也周期性地變化，磁通同樣周期性地變化，則在化，磁通同樣周期性地變化，則在線圈線圈3中產生感應電動勢，其頻率中產生感應電動勢，其頻率f與測量輪與測量輪2的轉速的轉速n（rmin-1）成正）成正比比,即即f = n/30。 在這種結構中，也可以用齒輪代在這種結構中，也可以用齒輪代替橢圓形測量輪替橢圓形測量輪2，軟鐵（極掌），軟鐵（極掌）4制成內齒輪形式，這時輸出信號頻制成內齒輪形式，這時輸出信號頻率為率為f = nZ/60，其中，其中Z為測量齒輪為測量齒輪的齒數。的齒數。 二、設計要點 磁電感應式傳感器有兩個基本元件：一個是產生磁電感應式傳感器有兩個基本元件：一個是產生恒定直

10、流磁場的磁路系統(tǒng)，為了減小傳感器體積，一恒定直流磁場的磁路系統(tǒng)，為了減小傳感器體積，一般采用永久磁鐵；另一個是線圈，由它與磁場中的磁般采用永久磁鐵；另一個是線圈，由它與磁場中的磁通交鏈產生感應電動勢。通交鏈產生感應電動勢。 因此必須合理地選擇它們的結構形式、材料和結因此必須合理地選擇它們的結構形式、材料和結構尺寸，以滿足傳感器的基本性能要求。構尺寸，以滿足傳感器的基本性能要求。 下面將簡述恒定磁通式傳感器的設計要點。下面將簡述恒定磁通式傳感器的設計要點。 當傳感器的結構確定后，式中當傳感器的結構確定后，式中B、l、N都為常數，感應都為常數，感應電勢電勢e僅與相對速度僅與相對速度v有關。傳感器的

11、靈敏度為有關。傳感器的靈敏度為 為提高靈敏度，應選用具有磁能積較大的永久磁鐵和為提高靈敏度，應選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B；增加；增加l和和N也能也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內電阻及工作頻率等提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內電阻及工作頻率等因素的限制。因素的限制。 為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內運動。勻磁場內運動。設計者的任務是合理地選擇它們的結構形式、設計者的任務是合理地選擇它們的結構形式、材料和結構尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。材

12、料和結構尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。 1. 工作氣隙工作氣隙 工作氣隙大，線圈窗口面積就大，線圈匝數就多，傳感器工作氣隙大，線圈窗口面積就大，線圈匝數就多，傳感器靈敏度就高。但氣隙大，磁路系統(tǒng)磁感應強度就低，傳感器靈靈敏度就高。但氣隙大，磁路系統(tǒng)磁感應強度就低，傳感器靈敏度也低，而且氣隙大易造成氣隙磁場分布不均勻，導致傳感敏度也低，而且氣隙大易造成氣隙磁場分布不均勻，導致傳感器輸出特性非線性。器輸出特性非線性。 為了使傳感器有較高的靈敏度和較好的線性度，必須在為了使傳感器有較高的靈敏度和較好的線性度，必須在保證足夠大的窗口面積和所需加工安裝精度的前提下，盡量保證足夠大的窗口面積和所需加工安

13、裝精度的前提下，盡量減小工作氣隙減小工作氣隙d。工作氣隙寬度。工作氣隙寬度l也和傳感器的靈敏度、線性也和傳感器的靈敏度、線性度有關。度有關。l越大，靈敏度越高，線性度越好，但傳感器體積和越大，靈敏度越高，線性度越好，但傳感器體積和重量就較大，因此一般取重量就較大，因此一般取d/ /l1/41/4。1. 工作氣隙工作氣隙 2. 永久磁鐵永久磁鐵 永久磁鐵由永磁合金材料制成，是提供工作氣隙磁能的能永久磁鐵由永磁合金材料制成，是提供工作氣隙磁能的能源。不同永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要參數為源。不同永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要參數為矯頑力、剩余磁感應強度和最大磁能積矯頑力、剩余

14、磁感應強度和最大磁能積(BH)m，以及去磁曲線，以及去磁曲線B=f1(H)和磁能積曲線和磁能積曲線(BH)=f2(B)。為了提高傳感器的靈敏度，。為了提高傳感器的靈敏度，應選用具有較大磁能積的永磁合金。應選用具有較大磁能積的永磁合金。 常用的永磁合金有在強磁場中鑄造的鋁常用的永磁合金有在強磁場中鑄造的鋁鎳鈷永磁合金，其剩磁和矯頑力都較大，鎳鈷永磁合金，其剩磁和矯頑力都較大，能在體積、重量較小時得到較高的氣隙磁能在體積、重量較小時得到較高的氣隙磁感應強度，其穩(wěn)定性高，使用最為廣泛。感應強度，其穩(wěn)定性高，使用最為廣泛。3線圈組件線圈組件 線圈組件由線圈和線圈骨架組成。一般線圈骨架由金屬，線圈組件由

15、線圈和線圈骨架組成。一般線圈骨架由金屬，如銅、鋁、不銹鋼等制成，起電磁阻尼作用。但當傳感器精度如銅、鋁、不銹鋼等制成，起電磁阻尼作用。但當傳感器精度要求較高時，因電磁阻尼使傳感器的非線性增加，所以必須采要求較高時，因電磁阻尼使傳感器的非線性增加，所以必須采用其它阻尼器。用其它阻尼器。 這時線圈骨架由非金屬，如有機玻璃等制成。為減小尺寸，這時線圈骨架由非金屬，如有機玻璃等制成。為減小尺寸，也有不用骨架的。也有不用骨架的。 當線圈組件在工作氣隙中相對于永久磁鐵運動時，要當線圈組件在工作氣隙中相對于永久磁鐵運動時，要保證兩者間沒有摩擦。除此之外，還必須保證在測量范圍內保證兩者間沒有摩擦。除此之外，還

16、必須保證在測量范圍內傳感器靈敏度恒定。最后還應核算線圈的溫升是否在允許的傳感器靈敏度恒定。最后還應核算線圈的溫升是否在允許的范圍內。范圍內。3線圈組件線圈組件 在精度較高的傳感器中，線圈中在精度較高的傳感器中，線圈中感應電流產生的磁場對恒定磁場的作感應電流產生的磁場對恒定磁場的作用（稱為線圈磁場效應）是不能忽略用（稱為線圈磁場效應）是不能忽略的，需采用補償線圈與工作線圈相串的，需采用補償線圈與工作線圈相串聯而加以補償。當環(huán)境溫度變化較大聯而加以補償。當環(huán)境溫度變化較大時時, , 傳感器的溫度誤差較大，必須加傳感器的溫度誤差較大，必須加以溫度補償。以溫度補償。(1)(1)動圈式振動速度傳感器動圈

17、式振動速度傳感器1、8:圓形彈簧片圓形彈簧片2 、圓形阻尼器、圓形阻尼器3、永久磁鐵、永久磁鐵4、鋁架、鋁架5、圓形阻尼器用、圓形阻尼器用心軸心軸6、工作線圈、工作線圈7、殼體、殼體9、引線、引線 它屬于動圈式恒定磁通型。其結構原理圖如圖它屬于動圈式恒定磁通型。其結構原理圖如圖5-3所示，永所示，永久磁鐵久磁鐵3通過鋁架通過鋁架4和圓筒形導磁材料制成的殼體和圓筒形導磁材料制成的殼體7固定在一起，固定在一起，形成磁路系統(tǒng)，殼體還起屏蔽作用。磁路中有兩個環(huán)形氣隙，形成磁路系統(tǒng)，殼體還起屏蔽作用。磁路中有兩個環(huán)形氣隙，右氣隙中放有工作線圈右氣隙中放有工作線圈6，左氣隙中放有用銅或鋁制成的圓環(huán)形，左氣

18、隙中放有用銅或鋁制成的圓環(huán)形阻尼器阻尼器2。工作線圈和圓環(huán)形阻尼器用心軸。工作線圈和圓環(huán)形阻尼器用心軸5連在一起組成質量連在一起組成質量塊，用圓形彈簧片塊，用圓形彈簧片1和和8支承在殼體上。支承在殼體上。 將傳感器固定在被測振動體上，永久磁鐵、鋁架和殼體將傳感器固定在被測振動體上，永久磁鐵、鋁架和殼體一起隨被測體振動，由于質量塊有一定的質量，產生慣性力，而一起隨被測體振動，由于質量塊有一定的質量，產生慣性力，而彈簧片又非常柔軟，因此當振動頻率遠大于傳感器固有頻率時，彈簧片又非常柔軟，因此當振動頻率遠大于傳感器固有頻率時，線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)形氣隙中相對永久磁鐵運動，以振動體的振線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)

19、形氣隙中相對永久磁鐵運動，以振動體的振動速度切割磁力線，產生感應電動勢，通過引線動速度切割磁力線，產生感應電動勢，通過引線9接到測量電路。接到測量電路。同時良導體阻尼器也在磁路系統(tǒng)氣隙中運動，感應產生渦流，形同時良導體阻尼器也在磁路系統(tǒng)氣隙中運動，感應產生渦流，形成系統(tǒng)的阻尼力，起衰減固有振動和擴展頻率響應范圍的作用。成系統(tǒng)的阻尼力，起衰減固有振動和擴展頻率響應范圍的作用。 線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。 該傳該傳感器測量的是振動速度參數感器測量的是振動速度參數, , 若在測量電路中接入若在測量電路中接入積分電路積分電路, , 則輸出電勢與位移成正比則輸出

20、電勢與位移成正比; ; 若在測量電若在測量電路中接入微分電路路中接入微分電路, , 則其輸出與加速度成正比。則其輸出與加速度成正比。（2）磁電感應式轉速傳感器）磁電感應式轉速傳感器 圖圖5-4是一種磁電感應式轉是一種磁電感應式轉速傳感器的結構原理圖。轉子速傳感器的結構原理圖。轉子2與轉軸與轉軸1固緊。轉子固緊。轉子2和定子和定子5都用工業(yè)純鐵制成，它們和永都用工業(yè)純鐵制成，它們和永久磁鐵久磁鐵3組成磁路系統(tǒng)。轉子組成磁路系統(tǒng)。轉子2和定子和定子5的環(huán)形端面上都均勻的環(huán)形端面上都均勻地銑了一些齒和槽，兩者的齒、地銑了一些齒和槽，兩者的齒、槽數對應相等。槽數對應相等。 測量轉速時，傳感器的轉軸測量

21、轉速時，傳感器的轉軸1與被測物轉軸相連接，因而帶動轉與被測物轉軸相連接，因而帶動轉子子2轉動。當轉子轉動。當轉子2的齒與定子的齒與定子5的的齒相對時，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的齒相對時，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的磁通最大。而齒與槽相對時，氣隙磁通最大。而齒與槽相對時，氣隙最大，磁通最小。最大，磁通最小。 因此當定子因此當定子5不動而轉子不動而轉子2轉動轉動時，磁通就周期性地變化，從而在時，磁通就周期性地變化，從而在線圈線圈4中感應出近似正弦波的電壓中感應出近似正弦波的電壓信號，其頻率與轉速成正比關系。信號，其頻率與轉速成正比關系。 （2）磁電感應式轉速傳感器）磁電感應式轉速傳感器 n:被測物轉速被測物轉速

22、(r/min); N:定子或轉子端面的齒數。定子或轉子端面的齒數。 它屬于變磁通式，結構它屬于變磁通式，結構示意圖如圖示意圖如圖5-5所示。轉子所示。轉子（包括線圈）固定在傳感器（包括線圈）固定在傳感器軸上，定子（永久磁鐵）固軸上，定子（永久磁鐵）固定在傳感器外殼上。轉子、定在傳感器外殼上。轉子、定子上都有一一對應的齒和定子上都有一一對應的齒和槽。槽。 （3）磁電感應式扭矩儀）磁電感應式扭矩儀 測量扭矩時，需用兩個傳感器，將它們的轉軸分別固定在被測量扭矩時，需用兩個傳感器，將它們的轉軸分別固定在被測軸的兩端，它們的外殼固定不動。安裝時，一個傳感器的定子測軸的兩端，它們的外殼固定不動。安裝時，一個傳感器的定子齒與其轉子齒相對，另一個傳感器的定子槽與其轉子齒相對。當齒與其轉子齒相對，另一