第_七_章__磁电式传感器
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? 磁电式传感器（振动传感器）的工作原 理
? 结构特点 ? 应用
k
设： ? ? c
2 mk
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k m
?
xt (D) ?? x0
? D2
D2
?
2??
0
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2 0
若振动体作简谐振动，将 D=jw 代入：
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1?
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)
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振幅比为：
? xt ? x0
( ? )2 ?0
2
2
? ?1 ?
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时，设穿过线圈的磁通为 φ，则线圈的感应电势 e为：
e ? ?W d?
dt
线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线：
e ? WBl dx sin ? ? WBlv sin ?
dt
B：磁场磁感应强度； l:每匝线圈的长度 θ：运动方向与磁场方向之间的夹角； v: 线圈与磁场之间的相对运动速度
基本结构类型
输出电压 工作范围
实际特性
理想特性
vAvB
vC
振动速度
?速度太小（〈 vA) ,惯性力不足以克服摩擦力
?速度太大（〉 Vc ),惯性太大，超出弹簧弹性范 围
二、结构特点
? 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。
– 又称直接式
? 动铁式：线圈组件与传感器壳体固定， 永久磁铁用柔软的弹簧支撑。
弹簧
构成
? 永久磁铁 ? 线圈 ? 弹簧 ? 阻尼器
– 电磁阻尼：金属骨架在磁场中运动产生 – 空气阻尼：
? 壳体
二阶系统表示
xm m
k
c
x0
x0---振动体的绝对位移； xm---质量块的绝对位移
相对位移：
xt ? xm ? x0
?
m
d 2xm dt 2
?
?c
dx t dt
?
k ?xt
m
d 2 xm dt 2
? 振动监测：
– 输出阻抗小 – 对绝缘、放大器的要求不高 – 噪声干扰可忽略 – 体积、重量大，有磨损 – 频率响应不高
动圈式振动传感器
引线 线圈 壳体 芯轴 磁钢 阻尼杯 弹簧片
机载发动机振动监视系统原理方 框图
转速、流量测量
转速： n ? 60 f N
扭矩测量
1
2
测量 仪表 u
wt
本章要点
f0 ? 2?
? m 2?
W
总刚度： k ? ( 2? f 0 ) 2 W
g
两个弹簧并联： k ? k1 ? k 2
阻尼系数计算
电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）： 金属骨架产生涡流效应并受到磁场力的作用， 力的方向与运动方向相反 。
c
c
c
??
?
?
2 mk 2m k 2 mw 0
m
电磁阻尼器ห้องสมุดไป่ตู้
§ 7.4 应用
– 又称惯性式
– m↓c↑ 改善频响特性
动圈式
N S
弹簧 线圈 永久磁铁
§7. 3 .1 设计基础
一、磁路计算
B
?矫顽力H c：
Br
?剩余磁感应强度Br ：
Hc
?去磁曲线B=f(H)：
H
?最大磁能积(BH) m：
永久磁铁的工作点
B O'
A
BD
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。
? 变磁通式：
– 磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁 通产生
? 恒定磁通式：
– 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
1一永久磁铁 2一软磁铁， 3一感应线圈 4一测量齿轮
§ 7.2 磁电式振动传感器
一、工作原理与动态特性
N
S 被测物
壳体 线圈 永久磁铁
工作气隙匝数：
W?
?
W
lg L
§ 7.3.2 参数设计
? xt ? x0
一、固有频率的确定
k w0 ? m
( ? )2 ?0
2
2
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）2
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所以：
? K↓↓、m↑→w0↓↓ ? K↓↓ →静挠度↑ ? w/w0>3
弹簧刚度计算
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磁铁长度：
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若B已知：
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1 BmH m
? 保证线圈窗工口作面积气，隙容设纳足计够的线圈匝数
由工作点D（永B、久H）磁值计铁算磁的铁尺尺寸：寸
由磁通连续性定理和磁路基尔霍夫第一定律： δ
Bm S m ? k? B? S?
N
H mlm ? kl H ? ?
S
k ? : 漏磁系数； k l : 修正系数
工作点磁导率：
B m ? k ? B? S ? l m ? k ? ? 0 S ? l m ? tan ?
0
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1 0
-90 -180
φ
3 w/w0
讨论
? 当w>>w0（w>3w0 )时，xt/x=1
– xt=x0,m看作静止不动 – φ=180
? 线圈中的感应电势： e=WBlv ? 灵敏度：s=WBl
第 七 章 磁电式传感器
§7.1 概述
§7.2 磁电式振动传感器
§7.3 设计基础
§7.4 应用
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§7.1 概述
? 利用电磁感应原理，将输入运动速度转 换成感应电动势输出的传感器。
? 有源传感器 ? 具有较大的输出功率 ? 具有双向转换特性 ? 只应用于动态测量
根据电磁感应定律工，当作W原匝线理圈在均恒磁场中运动
?
?c d dt
( xm
?
x0 ) ?
k ?(xm
?
x0 )
令D ? d dt
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传递函数：xm x0
(D) ?
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k
即：xt x0
(D) ?
xm ? x0 x0
?
? mD2 mD2 ? cD ?
? 保证均匀而较强的气隙磁场 ? 气隙宽度δ与气隙深度lg之比〈1/4
B lg
δ
二、线圈组件设计
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t
h
h ? D3 ? D2
2
L
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D1
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D2
D3
绕组每层匝数：
W0 ?
Lf 1 dw
绕组层数： n ? h d wf2
总匝数： W ? nW 0
? 结构特点 ? 应用
k
设： ? ? c
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若振动体作简谐振动，将 D=jw 代入：
( ? )2
?
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时，设穿过线圈的磁通为 φ，则线圈的感应电势 e为：
e ? ?W d?
dt
线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线：
e ? WBl dx sin ? ? WBlv sin ?
dt
B：磁场磁感应强度； l:每匝线圈的长度 θ：运动方向与磁场方向之间的夹角； v: 线圈与磁场之间的相对运动速度
基本结构类型
输出电压 工作范围
实际特性
理想特性
vAvB
vC
振动速度
?速度太小（〈 vA) ,惯性力不足以克服摩擦力
?速度太大（〉 Vc ),惯性太大，超出弹簧弹性范 围
二、结构特点
? 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。
– 又称直接式
? 动铁式：线圈组件与传感器壳体固定， 永久磁铁用柔软的弹簧支撑。
弹簧
构成
? 永久磁铁 ? 线圈 ? 弹簧 ? 阻尼器
– 电磁阻尼：金属骨架在磁场中运动产生 – 空气阻尼：
? 壳体
二阶系统表示
xm m
k
c
x0
x0---振动体的绝对位移； xm---质量块的绝对位移
相对位移：
xt ? xm ? x0
?
m
d 2xm dt 2
?
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?
k ?xt
m
d 2 xm dt 2
? 振动监测：
– 输出阻抗小 – 对绝缘、放大器的要求不高 – 噪声干扰可忽略 – 体积、重量大，有磨损 – 频率响应不高
动圈式振动传感器
引线 线圈 壳体 芯轴 磁钢 阻尼杯 弹簧片
机载发动机振动监视系统原理方 框图
转速、流量测量
转速： n ? 60 f N
扭矩测量
1
2
测量 仪表 u
wt
本章要点
f0 ? 2?
? m 2?
W
总刚度： k ? ( 2? f 0 ) 2 W
g
两个弹簧并联： k ? k1 ? k 2
阻尼系数计算
电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）： 金属骨架产生涡流效应并受到磁场力的作用， 力的方向与运动方向相反 。
c
c
c
??
?
?
2 mk 2m k 2 mw 0
m
电磁阻尼器ห้องสมุดไป่ตู้
§ 7.4 应用
– 又称惯性式
– m↓c↑ 改善频响特性
动圈式
N S
弹簧 线圈 永久磁铁
§7. 3 .1 设计基础
一、磁路计算
B
?矫顽力H c：
Br
?剩余磁感应强度Br ：
Hc
?去磁曲线B=f(H)：
H
?最大磁能积(BH) m：
永久磁铁的工作点
B O'
A
BD
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。
? 变磁通式：
– 磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁 通产生
? 恒定磁通式：
– 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
1一永久磁铁 2一软磁铁， 3一感应线圈 4一测量齿轮
§ 7.2 磁电式振动传感器
一、工作原理与动态特性
N
S 被测物
壳体 线圈 永久磁铁
工作气隙匝数：
W?
?
W
lg L
§ 7.3.2 参数设计
? xt ? x0
一、固有频率的确定
k w0 ? m
( ? )2 ?0
2
2
? ?1 ?
?（
? ?0
）2
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?
?
? ?2
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（
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0
）?? ?
所以：
? K↓↓、m↑→w0↓↓ ? K↓↓ →静挠度↑ ? w/w0>3
弹簧刚度计算
1 k 1 kg
H m klH ??Sm
kl?S m
磁铁长度：
lm
?
k l? S m tan ? k? S? ? 0
若B已知：
lm
?
klH ?? k? S? ? 0
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kl B? ? H m? 0
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Vm
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1 BmH m
? 保证线圈窗工口作面积气，隙容设纳足计够的线圈匝数
由工作点D（永B、久H）磁值计铁算磁的铁尺尺寸：寸
由磁通连续性定理和磁路基尔霍夫第一定律： δ
Bm S m ? k? B? S?
N
H mlm ? kl H ? ?
S
k ? : 漏磁系数； k l : 修正系数
工作点磁导率：
B m ? k ? B? S ? l m ? k ? ? 0 S ? l m ? tan ?
0
）2
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2
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相位为：
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?0 ( ? )2
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1 0
-90 -180
φ
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讨论
? 当w>>w0（w>3w0 )时，xt/x=1
– xt=x0,m看作静止不动 – φ=180
? 线圈中的感应电势： e=WBlv ? 灵敏度：s=WBl
第 七 章 磁电式传感器
§7.1 概述
§7.2 磁电式振动传感器
§7.3 设计基础
§7.4 应用
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§7.1 概述
? 利用电磁感应原理，将输入运动速度转 换成感应电动势输出的传感器。
? 有源传感器 ? 具有较大的输出功率 ? 具有双向转换特性 ? 只应用于动态测量
根据电磁感应定律工，当作W原匝线理圈在均恒磁场中运动
?
?c d dt
( xm
?
x0 ) ?
k ?(xm
?
x0 )
令D ? d dt
? m ( D 2 ? cD ? k ) xm ? (cD ? k ) x0
传递函数：xm x0
(D) ?
cD ? k mD2 ? cD ?
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即：xt x0
(D) ?
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? mD2 mD2 ? cD ?
? 保证均匀而较强的气隙磁场 ? 气隙宽度δ与气隙深度lg之比〈1/4
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δ
二、线圈组件设计
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