【】传感器与检测技术磁电式传感器原理及应用课件

传感器原理及应用

第5章磁电式传感器1．

了解磁电式传感器的工作原理和它的特点。2．

理解变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理和应用。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器主要内容：概述传感器原理及应用第5章

磁电式传感器磁电式传感器是利用电磁感应原理，将被测物理量转换成线圈中的感应电动势输出的一种传感器。工作时不须要外加电源，可干脆将被测物体的机械能转换为电量输出，是典型的有源传感器。适合作机械振动测量、转速测量。但这种传感器尺寸和重量都比较大。磁电式传感器机械能电量5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理传感器原理及应用第5章

磁电式传感器它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电动势。依据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变更时，线圈中产生感应电动势e。e的大小取决于穿过线圈的磁通Φ变更率有关。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器

当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势e为式中B：工作气隙磁感应强度；

N：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；

l

：每匝线圈的平均长度;

v：线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。

5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的磁电传感器，它相当于一台发电机。假如线圈以角速度w旋转，则产生的电动势为

传感器原理及应用第5章

磁电式传感器5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理式中B：工作气隙磁感应强度；

N：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；

w：线圈相对于磁场作旋转的角速度；

S：单匝线圈的截面积；传感器原理及应用第5章

磁电式传感器5.1.1工作原理传感器原理及应用第5章

磁电式传感器5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理磁通量Ф的变更实现方法:

磁铁与线圈之间做相对运动；磁路中磁阻的变更；恒定磁场中线圈面积的变更。5.1磁电感应式传感器5.1.1工作原理传感器原理及应用第5章

磁电式传感器依据以上原理有两种磁电感应式传感器：恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变更。恒磁通式变磁通式（a）开磁路（b）闭磁路5.1磁电感应式传感器5.1.2恒定磁通式结构传感器原理及应用第5章

磁电式传感器动铁型动圈型传感器原理及应用第5章

磁电式传感器在动圈式中，永久磁铁4与传感器壳体5固定，线圈3和金属骨架1（合称线圈组件）用松软弹簧2支承。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器e=-NBlve=-NBSwe直线式=-NBlv

(1)e角速度式=-NBSw

(2)式中：B—磁场强度；l—单圈匝线的有效长度；

N—匝数；v—直线速度；

w—角速度；S—单匝线圈的截面积。

传感器原理及应用第5章

磁电式传感器由(1)、(2)式可知：e直线式∝v=dx/dte角速度式∝w=dθ/dt因此，电磁式传感器可干脆测量v和ω。在动铁式中，线圈组件（包括件3和件1）与壳体5固定，永久磁铁4用松软弹簧2支承。两者的阻尼都是由金属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。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，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）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吸取。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。磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度v成正比的感应电动势。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器传感器原理及应用第5章

磁电式传感器由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度（e/v）是随振动频率而变更；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变更，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。

不同结构的恒定磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。5.1磁电感应式传感器（电动式）5.1.3变磁通式结构传感器原理及应用第5章

磁电式传感器图(a)为开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变更一次,磁通也就变更一次,线圈中产生感应电势,其变更频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简洁,但输出信号较小,且因高速轴上加装齿轮较紧急而不宜测量高转速。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器n:被测物转速(r/min);N:定子或转子端面的齿数。图(b)为闭磁路变磁通式,被测转轴1带动椭圆形测量轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变更，磁路磁阻也周期性地变更，磁通同样周期性地变更，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮2的转速n（r·min-1）成正比,即f=n/30。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁（极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60，其中Z为测量齿轮的齿数。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器传感器原理及应用第5章

磁电式传感器二、设计要点

磁电感应式传感器有两个基本元件：一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一般接受永久磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。因此必需合理地选择它们的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器的基本性能要求。下面将简述恒定磁通式传感器的设计要点。当传感器的结构确定后，式中B、l、N都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为

为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加l和N也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在匀整磁场内运动。设计者的任务是合理地选择它们的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。

传感器原理及应用第5章

磁电式传感器传感器原理及应用第5章

磁电式传感器1.工作气隙工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器灵敏度就高。但气隙大，磁路系统磁感应强度就低，传感器灵敏度也低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不匀整，导致传感器输出特性非线性。为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必需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d。工作气隙宽度l也和传感器的灵敏度、线性度有关。l越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此一般取d/l≈1/4。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器1.工作气隙传感器原理及应用第5章

磁电式传感器2.永久磁铁

永久磁铁由永磁合金材料制成，是供应工作气隙磁能的能源。不同永磁合金的磁性能各不相同，表征性能的主要参数为矫顽力、剩余磁感应强度和最大磁能积(BH)m，以及去磁曲线B=f1(H)和磁能积曲线(BH)=f2(B)。为了提高传感器的灵敏度，应选用具有较大磁能积的永磁合金。常用的永磁合金有在强磁场中铸造的铝镍钴永磁合金，其剩磁和矫顽力都较大，能在体积、重量较小时得到较高的气隙磁感应强度，其稳定性高，运用最为广泛。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器3．线圈组件线圈组件由线圈和线圈骨架组成。一般线圈骨架由金属，如铜、铝、不锈钢等制成，起电磁阻尼作用。但当传感器精度要求较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加，所以必需接受其它阻尼器。这时线圈骨架由非金属，如有机玻璃等制成。为减小尺寸，也有不用骨架的。当线圈组件在工作气隙中相对于永久磁铁运动时，要保证两者间没有摩擦。除此之外，还必需保证在测量范围内传感器灵敏度恒定。最终还应核算线圈的温升是否在允许的范围内。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器3．线圈组件在精度较高的传感器中，线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场的作用（称为线圈磁场效应）是不能忽视的，需接受补偿线圈与工作线圈相串联而加以补偿。当环境温度变更较大时,传感器的温度误差较大，必需加以温度补偿。5.1.4磁电感应式传感器的应用传感器原理及应用第5章

磁电式传感器(1)动圈式振动速度传感器1、8:圆形弹簧片2、圆形阻尼器3、永久磁铁4、铝架5、圆形阻尼器专心轴6、工作线圈7、壳体9、引线传感器原理及应用第5章

磁电式传感器它属于动圈式恒定磁通型。其结构原理图如图5-3所示，永久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2。工作线圈和圆环形阻尼器专心轴5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。

传感器原理及应用第5章

磁电式传感器将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳体一起随被测体振动，由于质量块有确定的质量，产生惯性力，而弹簧片又特殊松软，因此当振动频率远大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过引线9接到测量电路。同时良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。

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。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器（2）磁电感应式转速传感器

图5-4是一种磁电感应式转速传感器的结构原理图。转子2与转轴1固紧。转子2和定子5都用工业纯铁制成，它们和永久磁铁3组成磁路系统。转子2和定子5的环形端面上都匀整地铣了一些齿和槽，两者的齿、槽数对应相等。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器测量转速时，传感器的转轴1与被测物转轴相连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大。而齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。因此当定子5不动而转子2转动时，磁通就周期性地变更，从而在线圈4中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与转速成正比关系。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器（2）磁电感应式转速传感器

n:被测物转速(r/min);N:定子或转子端面的齿数。

它属于变磁通式，结构示意图如图5-5所示。转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁）固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和槽。

（3）磁电感应式扭矩仪

传感器原理及应用第5章

磁电式传感器测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传感器的定子槽与其转子齿相对。当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零，若转轴以确定角速度旋转，则两个传感器输出两个近似正弦波感应电动势。传感器原理及应用第5章

磁电式传感器