第5章 磁電感應(yīng)式傳感器

第5章磁電感應(yīng)式傳感器 5 1磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理5 2磁電感應(yīng)式傳感器的類型5 3磁電感應(yīng)式傳感器的特性分析5 4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用 5 1磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理 磁電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器 也稱為電動式傳感器 它是利用電磁感應(yīng)定律將被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動勢輸出的裝置 它是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的能量變換型傳感器 優(yōu)點 不需要外部供電電源 有較大的輸出功率 電路簡單 性能穩(wěn)定 輸出阻抗小 又具有一定的頻率響應(yīng)范圍 一般為10 1000Hz 缺點 這種傳感器的尺寸和重量都較大 應(yīng)用 適用于振動 轉(zhuǎn)速 扭矩等測量 工作原理 磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知 當(dāng)運動導(dǎo)體在磁場中切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時 導(dǎo)體中的磁通量 發(fā)生變化 在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電動勢e 當(dāng)導(dǎo)體形成閉合回路就會出現(xiàn)感應(yīng)電流 導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢e的大小與回路所包圍的磁通量的變化率成正比 則N匝線圈在變化磁場中感應(yīng)電動勢為 當(dāng)線圈垂直于磁場方向運動以速度切割磁力線時 感應(yīng)電動勢為 B 線圈所在磁場的磁感應(yīng)強度 T 若線圈以角速度轉(zhuǎn)動 則感生電動勢可寫為 式中 S 每匝線圈的平均截面積 只要磁通量發(fā)生變化 就有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生 可實現(xiàn)的方法很多 主要有 1 線圈與磁場發(fā)生相對運動 2 磁路中磁阻變化 3 恒定磁場中線圈的面積變化 當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后 其中B N S均為定值 則感應(yīng)電動勢e與線圈相對于磁場的運動速度或角速度成正比 所以 可用磁電感應(yīng)式傳感器測量線速度和角速度 對測得的速度進(jìn)行積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 磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動態(tài)測量 5 2磁電感應(yīng)式傳感器的類型 按磁場方式分類 磁電感應(yīng)式傳感器分為變磁通式和恒定磁通式兩大類 每類還有不同型式 1 變磁通式變磁通式傳感器又稱為變磁阻磁電感應(yīng)式傳感器或變氣隙磁電感應(yīng)式傳感器 這類傳感器的線圈和磁鐵固定 利用鐵磁性物質(zhì)制成齒輪 或凸輪 與被測物體相連而運動 在運動中 齒輪 或凸輪 不斷改變磁路的磁阻 從而改變線圈的磁通 在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 這類傳感器在結(jié)構(gòu)上有開磁路和閉磁路兩種 一般用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率作為輸出 1 開磁路變磁通式傳感器 它與軟鐵4之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次 磁通也就變化一次 線圈3中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的變化頻率等于測量齒輪2上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積 如圖 線圈3和磁鐵5靜止不動 測量齒輪2 導(dǎo)磁材料制成 安裝在被測旋轉(zhuǎn)體1上 隨之一起轉(zhuǎn)動 每轉(zhuǎn)過一個齒 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單 但需在被測對象上加裝齒輪 使用不方便 且因高速軸上加裝齒輪會帶來不平衡而不宜測高轉(zhuǎn)速 2 閉磁路變磁通式傳感器 如圖 被測旋轉(zhuǎn)體1帶動橢圓形測量輪2在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動 使氣隙平均長度周期性地變化 因而磁路磁阻也周期性地變化 磁通同樣周期性地變化 則在線圈3中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 其頻率f與測量輪2的轉(zhuǎn)速n rad m 成正比 即f n 30 在這種結(jié)構(gòu)中 也可以用齒輪代替橢圓形測量輪2 軟鐵4制成內(nèi)齒輪形式 這時輸出信號頻率為f nz 60 其中z為測量齒輪的齒數(shù) 變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高 能在 150 90 的溫度下工作 不影響測量精度 也能在油 水霧 灰塵等條件下工作 但它的工作頻率下限較高 約為50Hz 上限可達(dá)100KHz 2 恒定磁通式恒定磁通磁電感應(yīng)式傳感器由永久磁鐵 磁鋼 線圈 金屬骨架和殼體等組成 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的磁場 磁路中的工作氣隙是固定不變的 因而氣隙中的磁通也是恒定不變的 它們的運動部件可以是線圈也可以是磁鐵 因此又分為動圈式和動鐵式兩種類型 在動圈式中 永久磁鐵4與傳感器殼體5固定 線圈3和金屬骨架1 合稱線圈組件 用柔軟彈簧支撐 在動鐵式中 線圈組件 包括3和1 與殼體5固定 永久磁鐵4用柔軟彈簧2支撐 兩者的阻尼都是金屬骨架1和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生的電磁阻尼 這里動圈 動鐵都是相對于傳感器殼體而言 動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的 B 工作氣隙磁感應(yīng)強度 N0 線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù) 稱為工作數(shù) 當(dāng)殼體5隨被測物體一起振動時 由于彈簧2較軟 運動部件質(zhì)量相對較大 因此振動頻率足夠高 遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率 時 運動部件的慣性很大 來不及跟隨振動體一起振動 近于靜止不動 振動能量幾乎全被彈簧2吸收 永久磁鐵4與線圈3之間的相對運動速度接近于振動體的振動速度 磁鐵4與線圈3相對運動使線圈3切割磁力線 產(chǎn)生與運動速度成正比的感應(yīng)電動勢e為 當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)選定后 其中B N都是常數(shù) 線圈的感應(yīng)電動勢僅與相對運動速度有關(guān) 傳感器的靈敏度為 不同結(jié)構(gòu)的恒定磁通磁感應(yīng)式傳感器的頻率響應(yīng)特性是有差異的 但一般頻率響應(yīng)范圍為幾十赫茲到幾百赫茲 低的可到10Hz左右 高的可達(dá)2kHz左右 5 3磁電感應(yīng)式傳感器的特性分析 磁電感應(yīng)式傳感器只適用于測量動態(tài)物理量 因此這種傳感器主要考慮其動態(tài)性能 主要技術(shù)指標(biāo)磁電感應(yīng)式傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有輸出電流I0 電流靈敏度Ki 輸出電壓U0 以及電壓靈敏度KU 1 輸出電流當(dāng)測量電路如磁電感應(yīng)式傳感器電路時 如圖 磁電感應(yīng)式傳感器的輸出電流 B0 工作氣隙磁感應(yīng)強度 N 在工作氣隙磁場中的線圈匝數(shù) Rf 測量電路輸入電阻 R 線圈等效電阻 v 線圈垂直于磁場方向運動的速度 2 電流靈敏度 3 輸出電壓 4 電壓靈敏度 5 4磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用 磁電感應(yīng)式傳