传感器原理7磁电式传感器.ppt

第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器§7.1  概述概述基本原理：基本原理：利用电磁感应原理，将输入利用电磁感应原理，将输入(运动速度运动速度)转转换换成线圈中感应电动势输出的传感器成线圈中感应电动势输出的传感器特点：特点：有源传感器：不需要提供电源有源传感器：不需要提供电源;具有双向转换特性具有双向转换特性;具有较大的输出功率具有较大的输出功率;只适用于动态测量只适用于动态测量1第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器工作原理工作原理由电磁感应定律，当由电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运动时，匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为设穿过线圈的磁通为φ，则线圈的感应电动势，则线圈的感应电动势e为为：：2第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器Ø线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：生电势为：B：磁场磁感应强度；：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度θ：运动方向与磁场方向之间的夹角；：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，线圈与磁场之间的相对运动速度，m/sØ线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电势为：势为：S：每匝线圈的围成的面积：每匝线圈的围成的面积θ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角；：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线圈与磁场之间的相对运动角速度3第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器两种基本类型两种基本类型恒定磁通式：恒定磁通式：~工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线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。

圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生变磁通式：变磁通式：~磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产生，如图示转速测量：生，如图示转速测量：1一永久磁铁一永久磁铁2一软磁铁一软磁铁3一感应线圈一感应线圈4一测量齿轮一测量齿轮4第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器5第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器SN§ 7.2 磁电式振动传感器磁电式振动传感器一、工作原理与动态特性一、工作原理与动态特性壳体线圈永久磁铁弹簧6第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器动动铁铁式式振振动动传传感感器器演演示示振动非常缓慢时：磁铁随壳体运动；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快速振动时：磁铁相对壳体运动幅度加大，相位相反加大，相位相反7第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器动圈式传感器用于振动测试8第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器构成构成永久磁铁永久磁铁:产生磁场产生磁场线圈：感生出电动势线圈：感生出电动势弹簧：弹性恢复弹簧：弹性恢复阻尼器阻尼器~电磁阻尼：线圈金电磁阻尼：线圈金属骨架在磁场中运属骨架在磁场中运动，产生感应涡流，动，产生感应涡流，而受到反方向的作而受到反方向的作用力。

用力~空气阻尼：空气阻尼：壳体壳体:提供闭合磁路提供闭合磁路、、磁屏蔽磁屏蔽mckx0xm动态特性分析动态特性分析—二阶系统表示二阶系统表示9第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器注意：位移符号与书上不同！注意：位移符号与书上不同！10第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器设：设：x0---振动体的绝对位移；振动体的绝对位移；xm---质量块的绝对位质量块的绝对位移移运动正方向向上，所有力（包括惯性力）假设正方向运动正方向向上，所有力（包括惯性力）假设正方向向上，根据力平衡原理，有：向上，根据力平衡原理，有：11第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器12第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器若振动体作简谐振动，将若振动体作简谐振动，将D=j 代入：代入：振幅比：振幅比：13第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器频率特性：频率特性：当当 ＝＝0时：时：当当 ＝＝   0时：时：当当 >>   0时：时：14第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器15第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器质量体受力（力传感器）质量体受力（力传感器）16第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器基座受力（运动传感器）基座受力（运动传感器）17第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器测力传感器测力传感器00.11.04.01.00.12.0＝10520.70.50.2测振动测振动18第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器讨讨  论论当当 >>   0（（   >3   0 )时，时，xt/x0 1~xt   x0,m近似看作静止不动近似看作静止不动~φ=-1800关于工作频段：关于工作频段：~阻尼比阻尼比 的影响：的影响： 增大增大  （（0.7左右），可左右），可以减小共振峰，改善低频响应。

以减小共振峰，改善低频响应~固有频率固有频率  0的影响：降低的影响：降低  0 ，扩大低频，扩大低频段理想情况，当理想情况，当  >>   0~线圈中的感应电势：线圈中的感应电势： e=WBlv~灵敏度：灵敏度：s=WBl19第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器例题例题1：设计一个磁电式振动速度传感器，要求：设计一个磁电式振动速度传感器，要求振动频率为振动频率为50Hz时，最大振幅误差不超过时，最大振幅误差不超过5％，％，   ＝＝0.6，求传感器的固有频率及输出的相位求传感器的固有频率及输出的相位解：解：当当 >>  0时，时， <0.707,会出现共振峰会出现共振峰20第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器解续：解续：无解0.951.051xt/x0f/f021第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器解续：解续：解得：解得：22第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器振动速度输出电压vAvBvC工作范围实际特性理想特性•速度太低（小于速度太低（小于 vA) ,惯性力不足以克服摩擦力惯性力不足以克服摩擦力•速度太高（大于速度太高（大于 Vc ),惯性太大，惯性太大，超出弹簧弹性范围超出弹簧弹性范围实际输出特性实际输出特性振动速度：23第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器二、结构特点二、结构特点动铁式：动铁式：线圈组件与传感器壳体固定，永线圈组件与传感器壳体固定，永久磁铁用柔软的弹簧支撑，又称惯性式。

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，增加阻尼与动铁式相比，惯性质量小，增加阻尼比直接式直接式~壳体固定于惯性系统部件，其顶杆壳体固定于惯性系统部件，其顶杆与另一部件表面接触与另一部件表面接触24第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器某型动铁式振动传感器结构某型动铁式振动传感器结构25第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器ü  属于惯性式传感器是利属于惯性式传感器是利用磁电感应原理把振动信号用磁电感应原理把振动信号变换成电信号它主要由磁变换成电信号它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成尼等部分组成ü将传感器安装在机器上，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在相对运动、切割磁力线，圈内产生感应电压，该电线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值压值正比于振动速度值ü与二次仪表相配接，即可与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位移量的大显示振动速度或位移量的大小。

也可以输送到其它二次小也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量仪表或交流电压表进行测量实物：实物：振动速度传感器振动速度传感器26第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器动圈式动圈式NS永久磁铁线圈弹簧27第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器动圈式演示动圈式演示28第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器动圈式振动传感器结构动圈式振动传感器结构弹簧片阻尼杯磁钢芯轴壳体线圈引线29第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器1—弹簧弹簧 ; 2—壳体壳体;  3—阻尼环阻尼环; 4—磁钢磁钢;5—线圈线圈; 6—芯轴芯轴Ø在测振时，传感器固定在测振时，传感器固定或紧压于被测物体，磁或紧压于被测物体，磁钢钢4 4与壳体与壳体2 2一起随被测一起随被测系统的振动而振动系统的振动而振动Ø装在芯轴装在芯轴6 6上的线圈上的线圈5 5和和阻尼环阻尼环3 3组成惯性系统的组成惯性系统的质量块并在磁场中运动质量块并在磁场中运动动圈式传感器结构：动圈式传感器结构：30第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器1—顶杆顶杆  2—弹簧片弹簧片  3—磁钢磁钢  4—线圈线圈  5—引出线引出线  6—壳体壳体Ø用途：用来测量振动用途：用来测量振动系统中两部件之间的相系统中两部件之间的相对振动速度。

对振动速度直接式振动传感器直接式振动传感器Ø连接方式：壳体固定于一连接方式：壳体固定于一部件上，线圈与顶杆相对固部件上，线圈与顶杆相对固定，而顶杆与另一部件相接定，而顶杆与另一部件相接触，依靠弹簧片回复原位触，依靠弹簧片回复原位当两部件相对运动时，使线当两部件相对运动时，使线圈与磁钢产生相对运动，产圈与磁钢产生相对运动，产生相应的电动势生相应的电动势31第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器§7. 3设计基础设计基础磁电传感器磁电传感器的基本组成的基本组成磁铁设计磁铁设计材料（永磁合金）材料（永磁合金）尺寸尺寸工作点工作点磁路系统磁路系统线圈线圈永久磁铁导磁壳体弹簧弹簧阻尼器阻尼器32第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器一、材料选择一、材料选择•低剩磁低剩磁Br、、高矫高矫顽力顽力Hc材料：镍铬合金、材料：镍铬合金、铁氧体，适用于磁路短、工作气隙大的铁氧体，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，情况，能得到较大的气隙磁感应强度，传感器磁场稳定传感器磁场稳定•高剩磁高剩磁Br、、低矫低矫顽力顽力Hc材料：镍钢、钴材料：镍钢、钴钢、铬钢，适用于磁路长、工作气隙小钢、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，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。

结构为细长，传感器磁场不稳定33第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器二、磁路计算二、磁路计算•矫顽力矫顽力Hc：：•剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br：：•最大磁能积最大磁能积(BH) m：：HBBrHc34第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器永久磁铁的工作点永久磁铁的工作点HB0ABDO’确定原则：使永久磁铁尽可能工作在最大磁能确定原则：使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上，此时磁铁体积最小积上，此时磁铁体积最小磁导线35第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器永久磁铁的尺寸永久磁铁的尺寸由工作点由工作点D（（B、、H）值计算磁铁尺寸：）值计算磁铁尺寸：由磁通连续性定理：由磁通连续性定理：SNδ磁路基尔霍夫第一定律：磁路基尔霍夫第一定律：36第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器永久磁铁的尺寸永久磁铁的尺寸磁路工作点的正切角为：磁路工作点的正切角为：在确定好磁铁的截面积后，可以确定磁铁在确定好磁铁的截面积后，可以确定磁铁的长度37第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器永久磁铁的尺寸永久磁铁的尺寸磁铁的体积：磁铁的体积：38第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器工作气隙设计工作气隙设计1）保证线圈窗口面积容纳足够的线圈匝数；）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；）保证均匀而较强的气隙磁场；3）气隙深度）气隙深度lg大于大于4倍的气隙宽度倍的气隙宽度δ。

Bδlg39第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器三、线圈组件三、线圈组件（骨架、线圈绕组）（骨架、线圈绕组）设计设计保证线圈在气隙中活动自如，有：lg：气隙深度；lp：振动位移的峰峰值LD1D2D3th线圈骨架40第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器线圈组件线圈组件（骨架、线圈绕组）（骨架、线圈绕组）设计设计f1：有效利用系数，f1=0.95；dw：带绝缘层导线直径；h：线圈厚度；f2：填充系数(>1)；LD1D2D3th41第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器§ 7.4    参数设计参数设计一、固有频率的确定一、固有频率的确定42第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器Conclusions：：1）为了保证精度，要求：）为了保证精度，要求： /   0>32）为了改善低频响应性能，可以采取的措施：）为了改善低频响应性能，可以采取的措施：~K↓、、m↑→   0↓注意：注意：K↓ →静挠度静挠度↑, m↑ →传感器变重传感器变重3）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度；）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度；4）合理选择固有频率合理选择固有频率43第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器弹簧刚度计算弹簧刚度计算两弹簧选择原则：使质量块处于中间位置。

弹簧刚度：垂直放置：下面刚度的大，上面的小44第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器阻尼系数计算阻尼系数计算电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）：电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）：金属骨架在磁场中作相对运动并切割磁力线时，感生金属骨架在磁场中作相对运动并切割磁力线时，感生涡流并受到磁场力的作用，力的方向与运动方向相反涡流并受到磁场力的作用，力的方向与运动方向相反45第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器阻尼器阻尼器阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰，阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰，改善频率响应特性，提高测试精度改善频率响应特性，提高测试精度阻尼系数与阻尼比的关系为：阻尼系数与阻尼比的关系为：理想的阻尼比为：理想的阻尼比为：46第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器阻尼器阻尼器阻尼器阻尼器电磁阻尼器电磁阻尼器空气阻尼器空气阻尼器金属杯阻尼器Dcp:金属杯平均直径；金属杯平均直径；lg:气隙深度；气隙深度；t: 金属杯的壁厚；金属杯的壁厚； : 金属材料的电阻率金属材料的电阻率47第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）48第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器§7. 5  应用应用磁电式振动传感器的特点：磁电式振动传感器的特点：1）输出阻抗小；）输出阻抗小；2）对绝缘、放大器的要求不高；）对绝缘、放大器的要求不高；3）信号强，噪声干扰可忽略；）信号强，噪声干扰可忽略；4）体积、重量大，有磨损；）体积、重量大，有磨损；5）工作温度不高（）工作温度不高（<120°C)；；6）频率响应不高）频率响应不高(10~2000Hz)。

以上相对压电式而言）（以上相对压电式而言）49第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器监测振动监测振动50第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器飞机地面振动实验系统原理方框图飞机地面振动实验系统原理方框图51第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器飞机振动模态分析飞机振动模态分析52第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器逆向应用逆向应用---电动激振器电动激振器53第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器转速测量转速测量54第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器Ø磁电感应式转速传感器的结构原理磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示当安装在被测转轴上的如图所示当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，从通过永久磁铁两磁极间的间隙，从而圈上感应出频率和幅值均与而圈上感应出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号轴转速成比例的交流电压信号u0Ø由于感应电压与磁通由于感应电压与磁通φφ的变化率成的变化率成比例，即比例，即 ( (W是线圈匝数）是线圈匝数）故随着转速下降输出电压幅值减小，故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。

故会减小到无法检测出来的程度故这种传感器不适合于低速测量这种传感器不适合于低速测量Ø为提高低转速的测量效果，可采用为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器55第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器扭矩测量扭矩测量12测量仪表ut56第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器如如图图( 磁磁电电感感应应式式扭扭矩矩传传感感器器)所所示示，，在在转转轴轴上上固固定定两两个个齿齿轮轮1和和2，，它它们们的的材材质质、、尺尺寸寸、、齿齿形形和和齿齿数数均均相相同同永永久久磁磁铁铁和和线线圈圈组组成成的的磁磁电电式式检检测测头头3和和4对对着着齿齿顶顶安安装装当当转转轴轴不不受受扭扭矩矩时时，，两两线线圈圈输输出出信信号号相相同同，，相相位位差差为为零零转转轴轴承承受受扭扭矩矩后后，，相相位位差差不不为为零零，，且且随随两两齿齿轮轮所所在在横横截截面面之之间间相相对对扭扭转转角角的的增增加加而而加加大大，，其其大大小小与与相对扭转角、扭矩成正比相对扭转角、扭矩成正比57第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器本章要点本章要点1）磁电式传感器（振动传感器）的工作原理）磁电式传感器（振动传感器）的工作原理2）结构特点）结构特点~结构组成：永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（电磁阻结构组成：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）、壳体尼：金属骨架在磁场中运动产生、空气阻尼）、壳体~结构形式：动圈式、动铁式结构形式：动圈式、动铁式3）二阶系统表示：）二阶系统表示：4）典型应用：振动监测、转速、扭距测量）典型应用：振动监测、转速、扭距测量58第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器作业：作业：7 7－－3 3，，7 7－－5 559第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器用导磁材料制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈用导磁材料制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，使线圈产生感应电动势。

的磁通量，使线圈产生感应电动势磁阻式转速传感器有两种：　磁阻式转速传感器有两种：　1.1.开磁路开磁路　　　开磁路结构简单，空气磁阻大　开磁路结构简单，空气磁阻大2.2.闭磁路闭磁路磁回路由转轴、内外齿轮、线圈回到磁铁闭合当转轴与被测轴一起磁回路由转轴、内外齿轮、线圈回到磁铁闭合当转轴与被测轴一起转动时，转轴上的内齿轮和磁铁一起转动，内外齿轮的相对运动使磁转动时，转轴上的内齿轮和磁铁一起转动，内外齿轮的相对运动使磁路气隙发生变化，因而磁阻变化并使穿过线圈的磁通量发生周期性变路气隙发生变化，因而磁阻变化并使穿过线圈的磁通量发生周期性变化，圈中产生周期变化的感应电势其特点是磁路磁阻小，输出化，圈中产生周期变化的感应电势其特点是磁路磁阻小，输出信号大，受被测轴振动干扰小信号大，受被测轴振动干扰小 60第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器61第第七七章章磁磁电电式式传传感感器器w/w0xt/x00131.0-90-180φ62。