传感器与检测技术---第7章 磁电式传感器
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四、 磁电式传感器的应用
1. 图 7 - 5 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构 主要由钢制圆形外壳制成, 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。
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第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
显然，当传感器线圈向上运动时, 产生的感生电流I形 成的附加磁通ΦI方向与原工作磁通Φ 方向相反, 减弱了原工 作磁场的作用。当传感器线圈向下运动时, 产生的感生电流 I形成的附加磁通ΦI方向与原工作磁通Φ 方向相同, 增加了 原工作磁场的作用。其结果是线圈运动速度方向不同, 传感 器的灵敏度就具有不同的数值。
第7章 磁电式传感器
根据电磁感应定律，W匝线圈切割磁力线产生的感 应电动势为
EBLWv
(7 - 2)
式中：B ——工作气隙磁感应强度;
L——每匝线圈平均长度;
W——线圈在工作气隙磁场中的匝数;
v——相对运动速度。
由此可知，只要测出感应电动势E，就可知物体运动 的速度。
第7章 磁电式传感器
二、 磁电式传感器基本特性
第7章 磁电式传感器
2. 恒磁通式磁电传感器
图7-2 为恒磁通式磁电传感器。它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7 - 2（a））和动铁式（图7 - 2(b)） 的工作原理是完全相同的。 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, 振动能量几乎全被弹簧吸收, 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。
第7章 磁电式传感器
2.
图 7 - 6 是磁电式扭矩传感器的工作原理图。 在驱动源和 负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应 的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图7 - 7所示。 传感器 的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁 产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸 凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应 出交流电压, 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。
2. 传感器的电压灵敏度为
(7 - 4)
SU
U0 v
BLWRf RRf
(7 - 6)
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、
机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。
其相对误差为
dISdB dL d(RRf)
SI B L RRf
（7 -7）
第7章 磁电式传感器
3.
磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是: 由于传感 器线圈内有电流 I 流过时, 将产生一定的交变磁通ΦI, 此交 变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上, 使恒定的气隙 磁通变化而造成的如图7 - 3所示。
第7章 磁电式传感器
t d B Bd l ld RR 0.4% 5C ()/
(7 - 8)
这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通 常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的 特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通 分路掉一小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著 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, 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。
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。 该传感器测量的是振动速度参数, 若 在测量电路中接入积分电路, 则输出电势与位移成正比; 若 在测量电路中接入微分电路, 则其输出与加速度成正比。
当测量电路接入磁电传感器电路时（见下图）, 磁电传
感器的输出电流I0为
E BLWv
I0 RRf
RRf
（7 - 3）
而传感器的输出电压
U0
I0Rf
BLWvfR RRf
E
R
式中： Rf——测量电路输入电阻;
I0
U0
Rf
R——
传感器
第7章 磁电式传感器
1. 传感器的电流灵敏度为
SI
I0 v
BLW R Rf
第7章 磁电式传感器
为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 如图7 - 2（a）所示。 在补偿线圈中通以经放大K倍的电流, 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 本身所产生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。
*4. 实验证明，当温度变化时, 式（7 -7）中右边三项都不为 零 。 对 铜 线 而 言 ， 每 摄 氏 度 变 化 量 为 dL/L≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2 , 而dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁 的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金, dB/B≈-0.02×10-2, 这样 由式(7 - 7)可得近似值:
第7章 磁电式传感器
三、 磁电式传感器的测量电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高 的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图 7 - 4 为一般测量电路方框图
v
sa
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
传感器与检测技术---第7章 磁 电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
图7 - 1(b) 为闭磁路变磁通式, 它由装在转轴上 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生电动势。显然，感应电势的 频率与被测转速成正比。
1. 图 7 - 5 是动圈式振动速度传感器结构示意图。 其结构 主要由钢制圆形外壳制成, 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。
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第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
显然，当传感器线圈向上运动时, 产生的感生电流I形 成的附加磁通ΦI方向与原工作磁通Φ 方向相反, 减弱了原工 作磁场的作用。当传感器线圈向下运动时, 产生的感生电流 I形成的附加磁通ΦI方向与原工作磁通Φ 方向相同, 增加了 原工作磁场的作用。其结果是线圈运动速度方向不同, 传感 器的灵敏度就具有不同的数值。
第7章 磁电式传感器
根据电磁感应定律，W匝线圈切割磁力线产生的感 应电动势为
EBLWv
(7 - 2)
式中：B ——工作气隙磁感应强度;
L——每匝线圈平均长度;
W——线圈在工作气隙磁场中的匝数;
v——相对运动速度。
由此可知，只要测出感应电动势E，就可知物体运动 的速度。
第7章 磁电式传感器
二、 磁电式传感器基本特性
第7章 磁电式传感器
2. 恒磁通式磁电传感器
图7-2 为恒磁通式磁电传感器。它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7 - 2（a））和动铁式（图7 - 2(b)） 的工作原理是完全相同的。 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, 振动能量几乎全被弹簧吸收, 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。
第7章 磁电式传感器
2.
图 7 - 6 是磁电式扭矩传感器的工作原理图。 在驱动源和 负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘, 它们旁边装有相应 的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图7 - 7所示。 传感器 的检测元件部分由永久磁场、感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁 产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时, 圆盘齿凸 凹引起磁路气隙的变化, 于是磁通量也发生变化, 在线圈中感应 出交流电压, 其频率等于圆盘上齿数与转数乘积。
2. 传感器的电压灵敏度为
(7 - 4)
SU
U0 v
BLWRf RRf
(7 - 6)
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、
机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生测量误差。
其相对误差为
dISdB dL d(RRf)
SI B L RRf
（7 -7）
第7章 磁电式传感器
3.
磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是: 由于传感 器线圈内有电流 I 流过时, 将产生一定的交变磁通ΦI, 此交 变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上, 使恒定的气隙 磁通变化而造成的如图7 - 3所示。
第7章 磁电式传感器
t d B Bd l ld RR 0.4% 5C ()/
(7 - 8)
这一数值是很可观的, 所以需要进行温度补偿。 补偿通 常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的 特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通 分路掉一小部分。当温度升高时, 热磁分流器的磁导率显著 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, 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。
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。 该传感器测量的是振动速度参数, 若 在测量电路中接入积分电路, 则输出电势与位移成正比; 若 在测量电路中接入微分电路, 则其输出与加速度成正比。
当测量电路接入磁电传感器电路时（见下图）, 磁电传
感器的输出电流I0为
E BLWv
I0 RRf
RRf
（7 - 3）
而传感器的输出电压
U0
I0Rf
BLWvfR RRf
E
R
式中： Rf——测量电路输入电阻;
I0
U0
Rf
R——
传感器
第7章 磁电式传感器
1. 传感器的电流灵敏度为
SI
I0 v
BLW R Rf
第7章 磁电式传感器
为补偿上述附加磁场干扰, 可在传感器中加入补偿线圈, 如图7 - 2（a）所示。 在补偿线圈中通以经放大K倍的电流, 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 本身所产生的交变磁通互相抵消, 从而达到补偿的目的。
*4. 实验证明，当温度变化时, 式（7 -7）中右边三项都不为 零 。 对 铜 线 而 言 ， 每 摄 氏 度 变 化 量 为 dL/L≈0.167×10-4, dR/R≈0.43×10-2 , 而dB/B每摄氏度的变化量取决于永久磁铁 的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金, dB/B≈-0.02×10-2, 这样 由式(7 - 7)可得近似值:
第7章 磁电式传感器
三、 磁电式传感器的测量电路
磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高 的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是 速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积 分或微分电路。 图 7 - 4 为一般测量电路方框图
v
sa
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
传感器与检测技术---第7章 磁 电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
第7章 磁电式传感器
图7 - 1(b) 为闭磁路变磁通式, 它由装在转轴上 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生电动势。显然，感应电势的 频率与被测转速成正比。