磁电式传感器

图5-1 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路
图5-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图 （a） 动圈式； (b) 动铁式
恒磁通式的磁路系统产生恒定的直流磁场， 磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通 也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动 圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式 （图 5-2（a））和动铁式（图5-2(b)）的工作原 理是完全相同的。
(5-3)
式中：B ——工作气隙磁感应强度； l ——每匝线圈平均长度； N ——线圈在工作气隙磁场中的匝数； v —— 相对运动速度。 由此可见，当传感器结构参数确定以后，感 应电动势 e 与相对运动速度v成正比。
总结
1）磁电感应式传感器应用电磁感应现象
2）只适用于动态测量 3）直接测量的量是振动体的速度或旋转体的 角速度 4）测量电路中接入积分电路或微分电路，则 可以测量物体的位移或加速度
永磁体必须进行时间、温度、组织结构等稳定 性处理
2.）工作气隙设计原则
为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度， 在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度 的前提下，尽量减小工作气隙宽度d。
一般选择: d/ld~1/4
ld –工作气隙深度
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3.）线圈组件：略小于工作气隙宽度d，保证线 圈的运动自由。 4.）固有频率和弹簧刚度：保证 f>3f0
• 磁电感应式传感器主要讲授工作原理、类 型，重点介绍磁电式加速度传感器的结构 特点、动态特性、设计要点等 • 霍尔式传感器主要讲授霍尔效应、霍尔器 件、霍尔元件的误差以及霍尔式位移传感 器
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5.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利 用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转 速等）转换成电信号的一种传感器。
(5-2)
式中，S——线圈的面积, N ——线圈在工作气隙磁场中的匝数, ——线圈的转速 。
根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器 结构：变磁通式和恒磁通式。 变磁通式

开磁路 闭磁路 动铁式
动圈式
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恒磁通式

图5-1显示了变磁通式传感器的结构与原理 --变磁通式磁电传感器又称为变磁阻式磁电传感 器。 --线圈、磁铁静止不动，感应电动势由变化的磁 通产生。其频率与磁通变化的频率相同。 --变磁通式磁电传感器，能用来直接测量旋转物 体的角速度。
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7 6 5
4
3 2
3
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图5-6 动圈式振动速度传感器
2）动态特性
• 二阶动态模型
Xm—质量块的绝对位移 X0—振动体的绝对位移 Xi= Xm- X0—相对位移
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• 数学模型
m xm c xi kxi
m x m c ( x x ) k ( x m x0 ) m 0
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图 5-1 （ a ）为开磁路变磁通式传感器工作 原理图：线圈 3 、磁铁 1 静止不动，测量齿轮 4 安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每 转动一个齿，它与软铁 2 之间构成的磁路磁阻 变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感 应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮 上齿数的乘积。
开磁路式传感器的特点： 结构简单； 输出信号较小；
d dx e Bl Blv dt dt
(5-1)
式中: B——稳恒均匀磁场的磁感应强度； l——导体有效长度； v——导体相对磁场的运动速度。
当一个N 匝线圈在磁场中作旋转切割磁力线 运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感 应电势e与磁通变化率dφ/dt有如下关系：
d e N NBS dt
它是一种有源传感器。即不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电 信号。
• 优点：电路简单，性能稳定，输出阻抗小， 输出功率大，具有一定的工作带宽（10～ 1000 Hz）； • 缺点：体积大，重量大。
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5.1.1 工作原理与结构
根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁 场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的 感应电势为
加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。
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图 5-1(b) 为闭磁路变磁通式传感器工作原理图： 它由装在转轴 7 上的内齿轮 5 和装在外壳上的外齿 轮6、永久磁铁1和感应线圈3组成，内外齿轮齿数 相同。 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，内、外齿轮的相对转动 使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁 通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动 e 势。 显然， 感应电势 与被测转速 成正比。
f –测量频率； f0—固有频率
5. ）阻尼系数：通过电磁阻尼和空气阻尼调节 在0.6~0.7之间
5.1.3 磁电感应式传感器的测量电路
微分电路 磁电式 传感器 显示 或 记录
量程选择
前置放大
积分电路
主放大器
SW
图5-5 磁电式传感器测量电路方框图
5.1.4 磁电感应式传感器的应用
动圈式振动速度传感器
1）工作原理 图5-6 是动圈式振动速度传感 器的结构示意图。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 壳固定成一体，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接，当物体 振动时， 传感器外壳和永久磁铁随之振动，而 架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振 动。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势，线圈的输 出通过引线输出到测量电路。
当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧 较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足 够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件 惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静 止不动，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度 接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运 动切割磁力线，从而产生感应电势为
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e BlNv
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5.1.2 传感器的设计要点 （依恒磁通式为例） 传感器有两个基本元件：永磁体和线圈 永磁体：在磁路中产生恒定的直流磁场 线圈：与磁场中的磁通交链产生感应电动 势
1. ）永磁体设计原则
永磁体工作在最大磁能积（BH)max时，磁体的 体积最小。
设计原则：尽可能工作在最大磁能积上 常用材料：铝镍钴永磁合金