第5章 磁电感应式传感器

工作原理 磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根 磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。 据法拉第电磁感应定律可知， 据法拉第电磁感应定律可知，当运动导体在磁场中 切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时， 切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，导体中 的磁通量Φຫໍສະໝຸດ Baidu生变化 在导体中产生感生电动势e， 发生变化， 的磁通量 发生变化，在导体中产生感生电动势 ， 当导体形成闭合回路就会出现感应电流。 当导体形成闭合回路就会出现感应电流。导体中感 应电动势e的大小与回路所包围的磁通量的变化率 应电动势 的大小与回路所包围的磁通量的变化率 成正比， 匝线圈在变化磁场中感应电动势为： 成正比，则N匝线圈在变化磁场中感应电动势为： 匝线圈在变化磁场中感应电动势为
变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～ 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在 ～ +90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、 ℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、 水雾、灰尘等条件下工作。 水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较 约为50Hz，上限可达 高，约为 ，上限可达100KHz。 。 2.恒定磁通式 恒定磁通式 恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）、线 恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）、线 ）、 金属骨架和壳体等组成。 圈、金属骨架和壳体等组成。磁路系统产生恒定的磁 磁路中的工作气隙是固定不变的， 场，磁路中的工作气隙是固定不变的，因而气隙中的 磁通也是恒定不变的。 磁通也是恒定不变的。它们的运动部件可以是线圈也 可以是磁铁，因此又分为动圈式 动铁式两种类型 动圈式和 两种类型。 可以是磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种类型。
e ～ R
I0
Rf
磁电感应式传感器测量电路
dI 0 B0lN Ki = = dv R + R f
（3）输出电压 ）
U0 = I0R f =
B0lNvR f R + Rf
（4）电压灵敏度 ）
dU 0 B0lNR f KU = = dv R + Rf
5.4 磁电感应式传感器的应用
磁电感应式传感器可用于速度、振动、扭矩、流量等参数 磁电感应式传感器可用于速度、振动、扭矩、 的测量。 的测量。 对应的有（ ） 对应的有（1）磁电感应式振动加速度传感器 （2）磁电感应式转速传感器 ） （3）磁电感应式扭矩仪 ） （4）磁流量计（所测的流体应具有导电性，蒸馏水 ）磁流量计（所测的流体应具有导电性， 以及各种油类都不能使用） 以及各种油类都不能使用）
a)磁电式车速传感器 磁电式车速传感器
b) 测速电机
第5章 磁电感应式传感器 章
5.1 磁电感应式传感器的工作原理 5.2 磁电感应式传感器的类型 5.3 磁电感应式传感器的特性分析 5.4 磁电感应式传感器的应用
5.1 磁电感应式传感器的工作原理
磁电感应式传感器简称感应式传感器， 磁电感应式传感器 简称感应式传感器，也称为电动 简称感应式传感器 式传感器。 式传感器 。 它是利用电磁感应定律将被测物理量的 变化转变为感应电动势输出的装置。它是一种将机 变化转变为感应电动势输出的装置 。 它是一种 将机 械能转换为电能的能量变换型传感器 的能量变换型传感器。 械能转换为电能的能量变换型传感器。 优点：不需要外部供电电源 ， 有较大的输出功率 ， 优点 ： 不需要外部供电电源，有较大的输出功率， 电路简单，性能稳定，输出阻抗小， 电路简单 ， 性能稳定 ， 输出阻抗小 ， 又具有一定的 频率响应范围(一般为10 1000Hz) 10～ Hz)。 频率响应范围(一般为10～1000Hz)。 缺点：这种传感器的尺寸和重量都较大。 缺点：这种传感器的尺寸和重量都较大。 应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。 应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。
5.2 磁电感应式传感器的类型
按磁场方式分类，磁电感应式传感器分为变磁通式 按磁场方式分类，磁电感应式传感器分为变磁通式 恒定磁通式两大类 每类还有不同型式。 两大类， 和恒定磁通式两大类，每类还有不同型式。 1.变磁通式 变磁通式 变磁通式传感器又称为变磁阻磁电感应式传感器或 变气隙磁电感应式传感器。这类传感器的线圈和磁 变气隙磁电感应式传感器。 铁固定，利用铁磁性物质制成齿轮（或凸轮） 铁固定，利用铁磁性物质制成齿轮（或凸轮）与被 测物体相连而运动。在运动中，齿轮（或凸轮） 测物体相连而运动。在运动中，齿轮（或凸轮）不 断改变磁路的磁阻，从而改变线圈的磁通， 断改变磁路的磁阻，从而改变线圈的磁通，在线圈 中产生感应电动势。 中产生感应电动势。这类传感器在结构上有开磁路 和闭磁路两种，一般用来测量旋转物体的角速度， 和闭磁路两种，一般用来测量旋转物体的角速度， 产生感应电动势的频率作为输出。 产生感应电动势的频率作为输出。
（1）输出电流 ） 当测量电路如磁电感应式传感器电路时， 当测量电路如磁电感应式传感器电路时，如 图，磁电感应式传感器的输出电流
e B0lNv I0 = = R + Rf R + Rf
B0：工作气隙磁感应强度； 工作气隙磁感应强度； N：在工作气隙磁场中的线圈匝数； ：在工作气隙磁场中的线圈匝数； Rf：测量电路输入电阻； 测量电路输入电阻； R：线圈等效电阻； ：线圈等效电阻； v：线圈垂直于磁场方向运动的速度。 ：线圈垂直于磁场方向运动的速度。 （2）电流灵敏度 ）
测量轮 1.被测旋转体 2.测量轮 3.线圈 被测旋转体 线圈 4.软铁 软铁
（2）闭磁路变磁通式传感器 ） 如图，被测旋转体 带动椭圆形 被测物体 如图，被测旋转体1带动椭圆形 1.被测物体 2.测量轮 测量轮 测量轮2在磁场气隙中等速转动 在磁场气隙中等速转动， 测量轮 在磁场气隙中等速转动， 3.线圈 线圈 使气隙平均长度周期性地变化， 使气隙平均长度周期性地变化， 4.软铁 软铁 因而磁路磁阻也周期性地变化， 因而磁路磁阻也周期性地变化， 磁通同样周期性地变化， 磁通同样周期性地变化，则在线 中产生感应电动势， 圈3中产生感应电动势，其频率 中产生感应电动势 其频率f 与测量轮2的转速 的转速n（ 与测量轮 的转速 （rad/m）成 ） N S 正比， 正比，即f=n/30。在这种结构中， 。在这种结构中， 5.永久磁铁 永久磁铁 也可以用齿轮代替椭圆形测量轮 闭磁路变磁通式传感器结构原理图 2，软铁 制成内齿轮形式，这 制成内齿轮形式， ，软铁4制成内齿轮形式 时输出信号频率为f=nz/60。其 时输出信号频率为 。 为测量齿轮的齿数。 中z为测量齿轮的齿数。 为测量齿轮的齿数
在动圈式中，永久磁铁 与传感器壳体 固定，线圈3和金属骨 与传感器壳体5固定 在动圈式中，永久磁铁4与传感器壳体 固定，线圈 和金属骨 架1（合称线圈组件）用柔软弹簧支撑。在动铁式中，线圈组件 （合称线圈组件）用柔软弹簧支撑。在动铁式中， 包括3和 ）与壳体5固定 永久磁铁4用柔软弹簧 支撑。 固定， 用柔软弹簧2支撑 （包括 和1）与壳体 固定，永久磁铁 用柔软弹簧 支撑。两 者的阻尼都是金属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼 和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。 者的阻尼都是金属骨架 和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。 这里动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。 这里动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。动圈式和动铁式 的工作原理是完全相同的。 的工作原理是完全相同的。
v
B B：工作气隙磁感应强度； N0：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作数；
l：每匝线圈的平均长度。
当传感器结构选定后，其中B、l 、N都是常数，线圈的感应电 当传感器结构选定后，其中 、 都是常数， 都是常数 动势仅与相对运动速度 有关，传感器的灵敏度为： v 有关，传感器的灵敏度为：
de K= = BlN dv
dΦ e = −N dt
当线圈垂直于磁场方向运动以速度 感应电动势为： 感应电动势为：
切割磁力线时， v 切割磁力线时，
e = − NBlv
式中， l：每匝线圈的平均长度 ；
B：线圈所在磁场的磁感应强度（T）。 若线圈以角速度
e = − NBSω
式中，S：每匝线圈的平均截面积。
ω
转动，则感生电动势可写为：
不同结构的恒定磁通磁感应式传感器的频率响应特性是有差异 但一般频率响应范围为几十赫兹到几百赫兹。 的，但一般频率响应范围为几十赫兹到几百赫兹。低的可到 10Hz左右，高的可达2kHz左右。 左右，高的可达 左右。 左右 左右
5.3 磁电感应式传感器的特性分析
磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量， 磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此这种 只适用于测量动态物理量 传感器主要考虑其动态性能。 传感器主要考虑其动态性能。 主要技术指标 磁电感应式传感器的主要技术指标有输出电流I 电流灵敏度K 磁电感应式传感器的主要技术指标有输出电流 0、电流灵敏度 i、 输出电压U 以及电压灵敏度K 输出电压 0，以及电压灵敏度 U。
（1）开磁路变磁通式传感器 ） 如图，线圈 和磁 如图，线圈3和磁 静止不动， 铁5静止不动，测 静止不动 量齿轮2（ 量齿轮 （导磁材 5.永久磁铁 永久磁铁 料制成） 料制成）安装在 被测旋转体1上 被测旋转体 上， 随之一起转动， 随之一起转动， 开磁路变磁通式传感器结构示意图 每转过一个齿， 每转过一个齿， 它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就 它与软铁 之间构成的磁路磁阻变化一次， 之间构成的磁路磁阻变化一次 变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等 变化一次，线圈 中产生的感应电动势的变化频率等 于测量齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积 上齿轮的齿数和转速的乘积。 于测量齿轮 上齿轮的齿数和转速的乘积。 这种传感器结构简单，但需在被测对象上加装齿轮， 这种传感器结构简单，但需在被测对象上加装齿轮， 使用不方便， 使用不方便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而 不宜测高转速。 不宜测高转速。
只要磁通量发生变化，就有感应电动势产生， 只要磁通量发生变化，就有感应电动势产生，可 实现的方法很多，主要有： 实现的方法很多，主要有： （1）线圈与磁场发生相对运动； ）线圈与磁场发生相对运动； （2）磁路中磁阻变化； ）磁路中磁阻变化； （3）恒定磁场中线圈的面积变化。 ）恒定磁场中线圈的面积变化。 当传感器的结构参数确定后，其中 、 当传感器的结构参数确定后，其中B、l、N、S均 、 均 为定值，则感应电动势e与线圈相对于磁场的运动 为定值，则感应电动势 与线圈相对于磁场的运动 成正比。所以， 速度 v 或角速度 ω 成正比。所以，可用磁电感 应式传感器测量线速度和角速度， 应式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度 进行积分或微分就可以求出位移和加速度。 进行积分或微分就可以求出位移和加速度。但由 上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于 上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于 动态测量。 动态测量。
当壳体5随被测物体一起振动时，由于弹簧 较软 较软， 当壳体 随被测物体一起振动时，由于弹簧2较软，运动部件质 随被测物体一起振动时 量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率） 量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率） 运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动， 时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于 静止不动，振动能量几乎全被弹簧2吸收 永久磁铁4与线圈 吸收， 与线圈3 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的振动速度。磁铁4与线圈 与线圈3 之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度。磁铁 与线圈 相对运动使线圈3切割磁力线 切割磁力线， 相对运动使线圈 切割磁力线，产生与运动速度 成正比的感 应电动势e为 应电动势 为 e = − BlN 0 v