第5章磁電感應式傳感器.

1、第5章磁電感應式傳感器>5.1磁電感應式傳感器的工作原理 >5.2磁電感應式傳感器的類型 >5.3磁電感應式傳感器的特性分析 >5.4磁電感應式傳感器的應用5.1磁電感應式傳感器的工作原理磁電感應式傳感器簡稱感應式傳感器，也稱為電動 式傳感器。它是利用電磁感應定律將被測物理量的 變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘妱觿葺敵龅难b置。它是一種將機 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 頻率響應范圍（一般為101000Hz） o缺點：這種傳感器的尺寸和重量都較大。應用：適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。工作原理磁

2、電感應式傳感器是以電磁感應原理為基礎的。根 據(jù)法拉第電磁感應定律可知，當運動導體在磁場中 切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，導體中的磁通量D發(fā)生變化，在導體中產(chǎn)生感生電動勢e, 當導體形成閉合回路就會出現(xiàn)感應電流。導體中感 應電動勢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電動勢為：e = -N dt當線圈垂直于磁場方向運動以速度V切割磁力線時,感應電動勢為：e = -NBlv式中，/：每匝線圈的平均長度B：線圈所在磁場的磁感應強度（T） o若線圈以角速度（D轉(zhuǎn)動，則感生電動勢可寫為：.e = -NBSco式中，s：每匝線圈的平均截面積。只要磁通量發(fā)生變化，就

3、有感應電動勢產(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。當傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，其中B、L N、S均為定值，則感應電動勢e與線圈相對于磁場的運動速度V或角速度CD成正比。所以，可用磁電感應式傳感器測量線速度和角速度，對測得的速度進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，磁電感應式傳感器只適用于 動態(tài)測量。5.2磁電感應式傳感器的類型1TJ按磁場方式分類，磁電感應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式傳感器或 變氣隙磁電感應式

4、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)生感應電動勢的頻率作為輸出。(1)開磁路變磁通式傳感器如圖，線圈3和磁1被測旋轉(zhuǎn)體2測量輪3線圈4軟鐵鐵5靜止不動，測 量齒輪2 (導磁材 料制成)安裝在0 1s L 5.永久磁鐵被測旋轉(zhuǎn)體1上，隨之一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個禹，開磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖它與軟鐵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)生的感應電動勢的

5、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。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。閉磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖(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/60o其 中z為測量齒輪的齒數(shù)。變磁

6、通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在150 +90 C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100KHZ。2 恒定磁通式恒定磁通磁電感應式傳感器由永久磁鐵（磁鋼）、線I、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。

7、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o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。a)a）動圈式b）動鐵式1金屬骨架2彈簧3線圈4一永久磁鐵5殼休當殼體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 應電動勢e為e = -BlNovB：工作氣隙磁感應強度

8、；No：線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為工作數(shù);每匝線圈的平均長度當傳感器結(jié)構(gòu)選定后，其中B、/、N都是常數(shù)，線圈的感應電 動勢僅與相對運動速度有關,傳感器的靈敏度為:K = = BINdv不同結(jié)構(gòu)的恒定磁通磁感應式傳感器的頻率響應特性是有差異的，但一般頻率響應范圍為幾十赫茲到幾百赫茲。低的可到 10Hz左右，高的可達2kHz左右。5.3磁電感應式傳感器的特性分析磁電感應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。主要技術指標磁電感應式傳感器的主要技術指標有輸出電流I。、電流靈敏度民、 輸出電壓U。，以及電壓靈敏度Ku。(1)輸出電流當測量電路如磁電感應式傳感器電路時，如 圖，磁電感應式傳感器的輸出電流_ e _ BolNv°R Rf R RfBo：工作氣隙磁感應強度；RfN：在工作氣隙磁場中的線圈匝數(shù)；磁電感應式傳感器測量電路Rf：測量電路輸入電阻；R.線圈等效由阻V：矗圈垂直于磁扮方向運動的速度。(2)電流靈敏度K =心=旦也 dv R + Rf(3)輸出電壓BJNvRfR+Rf(4)電壓靈敏度 K二退=BJNRf u dv R + Rf5.4磁電感