传感器原理7 磁电式传感器

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0
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工作气隙设计
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
1）保证线圈窗口面积容纳足够的线圈匝数； 2）保证均匀而较强的气隙磁场； 3）气隙深度lg大于4倍的气隙宽度δ。
B lg δ
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三、线圈组件（骨架、线圈绕组）设计
保证线圈在气隙中活动自如，有：
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
电 式 传 感 器
d xm d m 2 c ( xm x0 ) k ( xm x0 ) dt dt
则： (mD cD k ) xm (cD k ) x0
2
11
d xm dxt m c k xt 2 dt dt
2
2
d 令D dt
则： (mD cD k ) xm (cD k ) x0
θ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角；
ω:线圈与磁场之间的相对运动角速度
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两种基本类型
恒定磁通式：
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线 圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。
变磁通式：
磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产 生，如图示转速测量： 1一永久磁铁 2一软磁铁 3一感应线圈 4一测量齿轮
7
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
动圈式传感器用于振动测试
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构成
永久磁铁:产生磁场 第 线圈：感生出电动势 七 章 弹簧：弹性恢复 阻尼器
磁 电 式 传 感 器 电磁阻尼：线圈金 属骨架在磁场中运 动，产生感应涡流， 而受到反方向的作 用力。 空气阻尼：
动态特性分析 —二阶系统表示
m x
4
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
5
§ 7.2 磁电式振动传感器
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
一、工作原理与动态特性
线圈 N
永久磁铁
弹簧
S
壳体
被测物
6
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第 七 章 磁 电 式 传 感 器
动 铁 式 振 动 传 感 器 演 示 振动非常缓慢时：磁铁随壳体运动；
快速振动时：磁铁相对壳体运动幅度 加大，相位相反。
属于惯性式传感器。是利 用磁电感应原理把振动信号 变换成电信号。它主要由磁 路系统、惯性质量、弹簧阻 尼等部分组成。 将传感器安装在机器上， 在机器振动时，在传感器工 作频率范围内，线圈与磁铁 相对运动、切割磁力线，在 线圈内产生感应电压，该电 压值正比于振动速度值。 与二次仪表相配接，即可 显示振动速度或位移量的大 小。也可以输送到其它二次 仪表或交流电压表进行测量。
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动圈式
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
N
永久磁铁 S 弹簧
线圈
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动圈式演示
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
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动圈式振动传感器结构
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
引线 线圈 壳体 芯轴 磁钢
阻尼杯
弹簧片
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动圈式传感器结构：
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
1—弹簧 ; 2—壳体; 3—阻 尼环; 4—磁钢;5—线圈; 6—芯轴 在测振时，传感器固定 或紧压于被测物体，磁 钢4与壳体2一起随被测 系统的振动而振动。 装在芯轴6上的线圈5和 阻尼环3组成惯性系统的 质量块并在磁场中运动。
当＝0时： 当＝ 0时： 当>> 0时： xt xt 1 xt 0 1 x0 x0 2 x0
00
90
0
1800
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第 七 章 磁 电 式 传 感 器
0
15
质量体受力（力传感器）
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
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基座受力（运动传感器）
l
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永久磁铁的尺寸
第 七 章
磁路工作点的正切角为：
Bm t an Hm Hm kl H lm
磁 电 式 t an k B S lm , l kl S m t an m 传 kl H S m k S 0 感 器 在确定好磁铁的截面积后，可以确定磁铁
k B S Bm Sm
的长度。
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永久磁铁的尺寸
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
k B S Bm Sm
k BS S B

m m

kH H l kH l H
l

m
m
l

m
m
磁铁的体积：
k kB S 1 V S l BH BH
2

l
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直接式振动传感器
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
用途：用来测量振动 系统中两部件之间的相 对振动速度。
连接方式：壳体固定于一 部件上，线圈与顶杆相对固 定，而顶杆与另一部件相接 触，依靠弹簧片回复原位。 当两部件相对运动时，使线 圈与磁钢产生相对运动，产 生相应的电动势。 1—顶杆 2—弹簧片 3—磁钢 4—线圈 5—引出线 6—壳体
0
2
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
2
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频率特性：
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
xt x0
(
2 ) 0
2 2
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
2 ( ) 0 1 相位滞后： tg 2 1 ( ) 0
2
4
1.44 0
0
2
4
解得： 0 241 rad / s
f 0 38.4Hz
2 0 113.7 0 tg 1 2 1 0
§7.1 概述
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
基本原理： 利用电磁感应原理，将输入(运动速度)转 换 成线圈中感应电动势输出的传感器。 特点： 有源传感器：不需要提供电源; 具有双向转换特性; 具有较大的输出功率; 只适用于动态测量。
1
工作原理
由电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运动时， 第 设穿过线圈的磁通为φ，则线圈的感应电动势e为： 七 章
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§7. 3设计基础
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
磁路系统
磁电传感器 的基本组成 线圈
永久磁铁 导磁壳体
弹簧
阻尼器
材料（永磁合金）
磁铁设计 尺寸
工作点
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一、材料选择
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
•高剩磁Br、低矫顽力Hc材料：镍钢、钴 钢、铬钢，适用于磁路长、工作气隙小 的情况，能得到较大的气隙磁感应强度， 结构为细长，传感器磁场不稳定。 •低剩磁Br、高矫顽力Hc材料：镍铬合金、 铁氧体，适用于磁路短、工作气隙大的 情况，能得到较大的气隙磁感应强度， 传感器磁场稳定。
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二、磁路计算
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
•矫顽力Hc： •剩余磁感应强度Br： Hc Br H B
•最大磁能积(BH) m：
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永久磁铁的工作点
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
磁导线
B
O’
A B D H 0
确定原则：使永久磁铁尽可能工作在最大磁能 积上，此时磁铁体积最小。
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永久磁铁的尺寸
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例题1：设计一个磁电式振动速度传感器，要求 振动频率为50Hz时，最大振幅误差不超过5％， 第 ＝0.6，求传感器的固有频率及输出的相位。
七 章 解：
xt x0 (
2 ) 0
2
磁 电 式 传 感 器
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
由工作点D（B、H）值计算磁铁尺寸：
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
由磁通连续性定理：
δ N
Bm Sm k B S
k : 漏磁系数； ( 1)

m G GLou G k G G
磁路基尔霍夫第一定律：
S
H mlm kl H
k 1.2 : 修正系数
2
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
xm cD k 传递函数： ( D) 2 x0 m D cD k
xt xm x0 mD 即： ( D) 2 x0 x0 mD cD k
2
c 2 mk
0
2
k m
xt D ( D) 2 2 x0 D 20 D 0
无解。
1.05 1 0.95
xt/x0
f/f0
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解续：0.95
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
(
2 ) 0
2 2
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
0.91 2 0
0
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实际输出特性
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
输出电压
振动速度：
工作范围
实际特性
v A cos t
理想特性
vAvB
vC
振动速度
•速度太低（小于 vA) ,惯性力不足以克服摩擦力 •速度太高（大于 Vc ),惯性太大，超出弹簧弹性范围
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二、结构特点
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
动铁式：线圈组件与传感器壳体固定，永
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
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第 七 章 磁 电 2.0 式 传 感 1.0 器
0.1 0 0.1 1.0 4.0
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0.5 5 ＝10 2 0.7
0.2
测振动 测力传感器
讨 论
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
当>> 0（ >3 0 )时，xt/x01 xt x0,m近似看作静止不动 φ=-1800 关于工作频段： 阻尼比的影响： 增大 （0.7左右），可 以减小共振峰，改善低频响应。 固有频率 0的影响：降低 0 ，扩大低频 段。 理想情况，当 >> 0 线圈中的感应电势： e=WBlv 灵敏度：s=WBl
2
xt 当>> 0时， 1 x0
<0.707,会出现共振峰。
20
解续：
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
1.05
2 ( ) 0
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
2 2
2 4 2 4 1 2 1.1025 1.5876 0 0 0 0
磁 电 式 传 感 器
d e W dt
2
线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感 生电势为：
第 七 章
dx e WBl sin WBlv sin dt
B：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的有效长度 θ：运动方向与磁场方向之间的夹角；
磁 v:线圈与磁场之间的相对运动速度，m/s 电 式 线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电 传 势为： d e WBS sin WBS sin 感 dt 器 S：每匝线圈的围成的面积
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第 七 章
xt D ( D) 2 2 x0 D 20 D 0
2
若振动体作简谐振动，将D=j代入：
磁 xt 得： ( j ) 电 x 2 0 式 1 ( ) 2 j ( ) 0 0 传 振幅比： 感 2 器 ( )
xt x0
2 ( ) 0
m
k
c x
0
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壳体:提供闭合磁路、 磁屏蔽
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
y01 y0 y1
注意：位移符号与书上不同！
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设：x0---振动体的绝对位移；xm---质量块的绝对位移
两者间相对位移：
第 x x x t m 0 七 章 运动正方向向上，所有力（包括惯性力）假设正方 磁 向向上，根据力平衡原理，有：
久磁铁用柔软的弹簧支撑，又称惯性式。
动圈式：永久磁铁与传感器壳体固定，线圈 组件用柔软的弹簧支撑。 与动铁式相比，惯性质量小，增加阻尼 比。
直接式
壳体固定于惯性系统部件，其顶杆 与另一部件表面接触。
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某型动铁式振动传感器结构
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
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实物：振动速度传感器

第 七 章 磁 电 式 传 感 器
t h
ht
D3 D2 h 2
线圈
D 2 D1 t 2
L
L 1.3(lg lp )
骨架
lg：气隙深度； lp：振动位移的峰峰值。
D1 D2 D3
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线圈组件（骨架、线圈绕组）设计
第 七 章 磁 电 式 传 感 器
Lf1 绕组每层匝数： W0 dw