第5章磁電式傳感器

1、第第5 5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 磁電式傳感器是一種通過磁電作用，將被測磁電式傳感器是一種通過磁電作用，將被測量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。常用的磁電式傳感器量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。常用的磁電式傳感器有有磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器、磁柵式傳感器磁柵式傳感器、霍爾式傳霍爾式傳感器感器及各種及各種磁敏元件磁敏元件等。等。第第5 5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.2 5.2 磁柵式傳感器磁柵式傳感器5.3 5.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器5.4 5.4 磁敏元件磁敏元件 5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器簡稱磁

2、電感應(yīng)式傳感器簡稱感應(yīng)式傳感器感應(yīng)式傳感器。它利。它利用用電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理，將輸入的運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)，將輸入的運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢輸出。這種傳感器屬電勢輸出。這種傳感器屬雙向傳感器雙向傳感器，反向使用，反向使用時(shí)可構(gòu)成力時(shí)可構(gòu)成力( (力矩力矩) )發(fā)生器或電磁激振器等，所以發(fā)生器或電磁激振器等，所以也稱也稱電動(dòng)式傳感器電動(dòng)式傳感器。它是一種機(jī)。它是一種機(jī)電電能量變換型能量變換型傳感器傳感器，不需要供電電源，測量電路簡單，輸出，不需要供電電源，測量電路簡單，輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬( (10 1000 Hz) )，所以得到普遍應(yīng)用

3、。，所以得到普遍應(yīng)用。 缺點(diǎn)是尺寸和重量都較大。缺點(diǎn)是尺寸和重量都較大。5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器雙向有源傳感器雙向有源傳感器磁電式磁電式傳感器傳感器機(jī)機(jī)電電5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 根據(jù)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈切割磁力，線圈切割磁力線或其中的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生

4、的感應(yīng)線或其中的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為電動(dòng)勢為磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中任何一個(gè)因素，都會(huì)改變線速度有關(guān)，改變其中任何一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。 按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式恒定磁通式和和變磁通式變磁通式。tNedd5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式 1. 1.恒磁通式恒磁通式 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，工作氣隙固磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直

5、流磁場，工作氣隙固定不變，氣隙中的磁通也恒定不變。感應(yīng)電勢是定不變，氣隙中的磁通也恒定不變。感應(yīng)電勢是由于線圈相對于永久磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線而產(chǎn)由于線圈相對于永久磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線而產(chǎn)生的。運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈或磁鐵，因此結(jié)構(gòu)上生的。運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈或磁鐵，因此結(jié)構(gòu)上又分為又分為動(dòng)圈式動(dòng)圈式和和動(dòng)鐵式動(dòng)鐵式兩種。兩種。5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式vNS15432NS12345( (b) )動(dòng)鐵式動(dòng)鐵式( (a) )動(dòng)圈式動(dòng)圈式1彈簧；彈簧；2線圈骨架；線圈骨架；3殼體；殼體；4永久磁鐵；永久磁鐵；5線圈線圈 5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和

6、結(jié)構(gòu)形式5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式 動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理相同。線圈和磁動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理相同。線圈和磁鐵間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為鐵間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為).(15BlNe式中，式中，N為線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為為工作匝數(shù)工作匝數(shù)。 傳感器的靈敏度為傳感器的靈敏度為).(/25nBlNeS5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式 顯然，顯然，為提高靈敏度可設(shè)法增大為提高靈敏度可設(shè)法增大B、l與與N。但要注意在選擇這些參數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮傳感器但要注意在選擇這些參

7、數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮傳感器的材料、重量、體積、內(nèi)阻、工作頻率等因素。的材料、重量、體積、內(nèi)阻、工作頻率等因素。 當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)一定時(shí)，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)一定時(shí)，e正比于正比于 ，故，故只適只適用于動(dòng)態(tài)測量用于動(dòng)態(tài)測量。這種傳感器的基型是一種速度傳。這種傳感器的基型是一種速度傳感器，若在測量電路中加上積分或微分電路，也感器，若在測量電路中加上積分或微分電路，也可測位移或加速度?？蓽y位移或加速度。 5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式 2. 2.變磁通式變磁通式 這類傳感器的線圈和磁鐵都是靜止的，感應(yīng)這類傳感器的線圈和磁鐵都是靜止的，感應(yīng)電勢由變化的磁通產(chǎn)生。根據(jù)磁路的不同，又分電

8、勢由變化的磁通產(chǎn)生。根據(jù)磁路的不同，又分開磁路開磁路和和閉磁路閉磁路兩種。兩種。 變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，但這變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，但這種傳感器有一個(gè)下限工作頻率，開磁路式一般為種傳感器有一個(gè)下限工作頻率，開磁路式一般為50 Hz，閉磁路式可降至，閉磁路式可降至30 Hz左右。左右。5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式 ( (1) )開磁路變磁通式開磁路變磁通式 感應(yīng)電勢的頻率感應(yīng)電勢的頻率f 取決取決于齒輪的齒數(shù)于齒輪的齒數(shù)z和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n( (r/ /min) )，它們的關(guān)系為，它們的關(guān)系為 ).(3560zfn 這種傳感器結(jié)構(gòu)這種傳感器結(jié)構(gòu)簡

9、單，但輸出信號較簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速。測量高轉(zhuǎn)速。 1齒輪；齒輪；2線圈；線圈；3軟鐵；軟鐵；4永久磁鐵永久磁鐵N S14325.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式 ( (2) )閉磁路變磁通式閉磁路變磁通式 內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測軸而轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測隨被測軸而轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)速成正比。 2線圈；線圈；4永永久磁鐵；久磁鐵；5外齒外齒輪；輪；6內(nèi)

10、齒輪內(nèi)齒輪 24565.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 它是雙向的機(jī)它是雙向的機(jī)電型傳感器，可借助雙向電型傳感器，可借助雙向傳感器理論分析其動(dòng)態(tài)特性，詳細(xì)推導(dǎo)參考以傳感器理論分析其動(dòng)態(tài)特性，詳細(xì)推導(dǎo)參考以下文獻(xiàn)下文獻(xiàn) 1 單成祥單成祥. .傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其傳感器的理論與設(shè)

11、計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用應(yīng)用. .國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社, ,1999 2 賈伯年賈伯年. .傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)( (修訂版修訂版).).東南大學(xué)東南大學(xué)出版社出版社, ,20005.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 測量時(shí)將傳感器的殼體與被測物體以足夠大測量時(shí)將傳感器的殼體與被測物體以足夠大的剛度聯(lián)結(jié)在一起。傳感器輸入量為速度的剛度聯(lián)結(jié)在一起。傳感器輸入量為速度 ，輸，輸出量為感應(yīng)電勢出量為感應(yīng)電勢e。RfeNS 5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 設(shè)負(fù)載呈現(xiàn)電阻特性，且阻抗設(shè)負(fù)載呈現(xiàn)電阻特性，且阻抗Rf遠(yuǎn)大于線圈遠(yuǎn)大于線圈阻抗；動(dòng)圈部分的固有角頻率為阻抗；動(dòng)圈部分的固有角頻率為w

12、w0，質(zhì)量為，質(zhì)量為m；電磁阻尼系數(shù)為電磁阻尼系數(shù)為c。則其頻率響應(yīng)函數(shù)為。則其頻率響應(yīng)函數(shù)為).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性可繪出幅頻特性曲線如圖所示。可繪出幅頻特性曲線如圖所示。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010過阻尼最佳阻尼中頻靈敏度高頻下降欠阻尼 振動(dòng)頻率很低振動(dòng)頻率很低時(shí)，式時(shí)，式( (5.4) )分母中分母中的第二項(xiàng)占主導(dǎo)地位，的第二項(xiàng)占主導(dǎo)地位，在此頻段內(nèi)靈敏度隨在此頻段內(nèi)靈敏度隨w w2而增長。而增長。).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2

13、動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 在高于固有頻在高于固有頻率的低頻段，式率的低頻段，式( (5. .4) )分母中的第三項(xiàng)起主分母中的第三項(xiàng)起主要作用，靈敏度隨要作用，靈敏度隨w w按按比例增長。比例增長。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010過阻尼最佳阻尼中頻靈敏度高頻下降欠阻尼).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于固有頻率時(shí)，靈敏度接固有頻率時(shí)，靈敏度接近一常數(shù)，傳感器輸出近一常數(shù)，傳感器輸出與振動(dòng)速度成正比。這與振動(dòng)速度成正比。這一頻段即傳感器的一頻段即傳感器的工作工作頻段頻段，或稱，或稱頻響

14、范圍頻響范圍。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010過阻尼最佳阻尼中頻靈敏度高頻下降欠阻尼).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 頻率更高時(shí)，頻率更高時(shí)，因線圈阻抗增大，靈因線圈阻抗增大，靈敏度將隨頻率的增加敏度將隨頻率的增加而下降。而下降。/0AS( )/n0.11.0101020.11.010過阻尼最佳阻尼中頻靈敏度高頻下降欠阻尼).()(1)(45j1jf220RBlNcmBlNHwwww5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.2

15、5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 磁電感應(yīng)式傳感器的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：磁磁電感應(yīng)式傳感器的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：磁路設(shè)計(jì)、線圈組件設(shè)計(jì)、固有頻率計(jì)算、彈簧設(shè)路設(shè)計(jì)、線圈組件設(shè)計(jì)、固有頻率計(jì)算、彈簧設(shè)計(jì)、阻尼系數(shù)的計(jì)算和阻尼器設(shè)計(jì)等。計(jì)、阻尼系數(shù)的計(jì)算和阻尼器設(shè)計(jì)等。 5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 1. 1.磁路設(shè)計(jì)磁路設(shè)計(jì) 為減小傳感器體積，為減小傳感器體積，一般采用永久磁鐵作為一般采用永

16、久磁鐵作為產(chǎn)生恒定直流磁場的主要元件產(chǎn)生恒定直流磁場的主要元件。磁路設(shè)計(jì)的一般。磁路設(shè)計(jì)的一般方法是，先由傳感器外形尺寸方法是，先由傳感器外形尺寸( (通常由技術(shù)條件給通常由技術(shù)條件給定定) )確定其大致尺寸，然后選取工作氣隙尺寸及永確定其大致尺寸，然后選取工作氣隙尺寸及永久磁鐵的材料和工作點(diǎn)，最后計(jì)算永久磁鐵的尺久磁鐵的材料和工作點(diǎn)，最后計(jì)算永久磁鐵的尺寸和工作氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。寸和工作氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) ( (1) )工作氣隙選擇工作氣隙選擇 涉及三個(gè)方面：寬度涉及三個(gè)方面：寬度d，長度長度ld和平均直徑和平均直徑D。dNSlmDmld)5 .

17、 5(mmBSKSB式中，式中，S為工作氣隙圓柱面為工作氣隙圓柱面的面積，的面積，S，B。 增大增大D可增加可增加l，但是傳感器體積和重量增，但是傳感器體積和重量增加，工作氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度加，工作氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度B降低，因?yàn)榻档?，因?yàn)镈5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 增大增大d可增加可增加N，但也會(huì)導(dǎo)致，但也會(huì)導(dǎo)致B降低。因?yàn)榻档?。因?yàn)?6 . 5(mmHdKlHl式中，式中，H為工作氣隙中磁場強(qiáng)度，為工作氣隙中磁場強(qiáng)度，d，H，B m m0m mrH m m0H。dNSlmDmld5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 而而且，且，d越大工作氣隙中磁場越不均勻，會(huì)越大工作氣隙中磁

18、場越不均勻，會(huì)導(dǎo)致輸出特性非線性增加。所以，必須在足夠大導(dǎo)致輸出特性非線性增加。所以，必須在足夠大的的窗口面積窗口面積和所需加工安裝精度的前提下，盡量和所需加工安裝精度的前提下，盡量減小減小d。dNSlmDmld5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) ld和傳感器的和傳感器的靈敏度、線性度也有靈敏度、線性度也有關(guān)，它越大，靈敏度關(guān)，它越大，靈敏度越高，線性越好，但越高，線性越好，但體積和重量也隨之增體積和重量也隨之增大。因此，一般取大。因此，一般取d/ /ld1/ /4。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) ( (2) )材料與工作點(diǎn)的選擇材料與工作點(diǎn)的選擇 材料的選擇。材料的選擇。永久

19、磁鐵由永磁合金制成，永久磁鐵由永磁合金制成，是提供工作氣隙磁能的能源。常用材料性能如下是提供工作氣隙磁能的能源。常用材料性能如下 a. .鋁鎳鈷永磁合金的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度鋁鎳鈷永磁合金的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和矯和矯頑力頑力Hc都較大。都較大。 b. .鎳鋼、鈷鋼和鉻鋼屬于高鎳鋼、鈷鋼和鉻鋼屬于高Br、低、低Hc材料。材料。 c. .鎳鉻合金和鐵氧體屬于低鎳鉻合金和鐵氧體屬于低Br、高、高Hc材料。材料。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 永久磁鐵材料的選擇是根據(jù)永磁體的尺寸永久磁鐵材料的選擇是根據(jù)永磁體的尺寸參數(shù)來確定的，參考式參數(shù)來確定的，參考式( (5. .6) )。 )6 . 5(mm

20、HdKlHl a.當(dāng)給定的當(dāng)給定的d較小，希望永久磁鐵的長度較小，希望永久磁鐵的長度lm大時(shí)，則必須減小大時(shí)，則必須減小Hm。所以要選取。所以要選取Hc小而小而Br大大的材料。的材料。 b.當(dāng)給定的當(dāng)給定的d較大，希望設(shè)計(jì)的較大，希望設(shè)計(jì)的lm小時(shí)，則小時(shí)，則必須增大必須增大Hm。所以要選擇。所以要選擇Hc大而大而Br小的材料。小的材料。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 工作點(diǎn)的選擇。分析表明，使永久磁鐵工作點(diǎn)的選擇。分析表明，使永久磁鐵工作在工作在最大磁能積最大磁能積( (即最大即最大BmHm) )上，磁鐵體上，磁鐵體積可最小，這是確定永久磁鐵工作點(diǎn)的原則。積可最小，這是確定永久磁鐵

21、工作點(diǎn)的原則。).()/(105mmm0VKKVHBBlm5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 求最佳工作點(diǎn)有兩種方法，一是通過作磁能求最佳工作點(diǎn)有兩種方法，一是通過作磁能積曲線。積曲線。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 另一種是由直線另一種是由直線OP得到。得到。對動(dòng)態(tài)磁路，工作點(diǎn)通常不在去磁曲線上而對動(dòng)態(tài)磁路，工作點(diǎn)通常不在去磁曲線上而是在局部磁滯回環(huán)上來回移動(dòng)。是在局部磁滯回環(huán)上來回移動(dòng)。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) ( (3) )磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算 對于圖對于圖5. .5所示的磁所示的磁路系統(tǒng)。用漏磁系數(shù)路系統(tǒng)。用漏磁系數(shù)K 考慮漏磁的影響，用修正

22、考慮漏磁的影響，用修正系數(shù)系數(shù)Kl考慮殼體的影響，考慮殼體的影響，K 和和Kl的取值由實(shí)踐經(jīng)的取值由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定驗(yàn)確定。根據(jù)磁路的連續(xù)性定律與基爾霍夫第一根據(jù)磁路的連續(xù)性定律與基爾霍夫第一定律，得定律，得)6 . 5()5 . 5(mmmmHdKlHBSKSBldNSlmDmld5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 根據(jù)選定的傳感器尺寸和工作氣隙寬度根據(jù)選定的傳感器尺寸和工作氣隙寬度d，定出每匝線圈的平均長度定出每匝線圈的平均長度l，于是工作氣隙的，于是工作氣隙的( (平平均均) )截面積為截面積為).(75llSd再由再由l計(jì)算出氣隙的平均直徑為計(jì)算出氣隙的平均直徑為Dl/ /p p，則

23、永久磁鐵直徑為，則永久磁鐵直徑為Dm Dd，截面積為，截面積為 ).(/8542mmDSdNSlmDmld5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 將式將式( (5. .5) )與式與式( (5. .6) )兩邊相除，并考慮到在工兩邊相除，并考慮到在工作氣隙中作氣隙中Bm m0H( (空氣的空氣的m mr1) )，及圖，及圖5. .6中的關(guān)系，中的關(guān)系，得永久磁鐵的長度為得永久磁鐵的長度為 ).(95tan0m0cmr0mmmmmmmSKdSKSKHdSKBSKHdSKBllllO()BH()BHmaxBBrBmHmHcHPD磁能積曲線去磁曲線)6 . 5()5 . 5(mmmmHdKlHBS

24、KSBl將式將式( (5. .5) )與式與式( (5. .6) )兩邊相乘，并考慮兩邊相乘，并考慮到氣隙體積到氣隙體積VSd，磁鐵體積，磁鐵體積VmSmlm，及，及Bm m0H，得，得5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)).()/(105mmm0VKKVHBBlm)6 . 5()5 . 5(mmmmHdKlHBSKSBl5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 2. .線圈組件設(shè)計(jì)線圈組件設(shè)計(jì) 線圈厚度線圈厚度h( (D3D2) )/ /2，骨架厚度骨架厚度t( (D2D1) )/ /2，為保，為保證線圈組件在工作氣隙中靈活證線圈組件在工作氣隙中靈活運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生摩擦，應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生摩

25、擦，應(yīng)滿足(5.11)dththLD1D2D35.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 線圈組件長度線圈組件長度L取決于取決于工作氣隙長度工作氣隙長度ld和振動(dòng)位移和振動(dòng)位移峰值峰值lp，為避免因不均勻漏，為避免因不均勻漏磁通分布造成輸出特性出現(xiàn)磁通分布造成輸出特性出現(xiàn)過大的非線性，通常將線圈過大的非線性，通常將線圈組件的長度給出組件的長度給出30 %的余量，的余量，即即).()(1253 . 1pdllLthLD1D2D35.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為了為了確定線圈的匝數(shù)，設(shè)確定線圈的匝數(shù)，設(shè)N0為每層的匝數(shù)；為每層的匝數(shù)；N為線圈總匝數(shù)；為線圈總匝數(shù)；dw為導(dǎo)線直徑。當(dāng)選定為

26、導(dǎo)線直徑。當(dāng)選定dw后，后，設(shè)為均勻密繞制，所以每層線圈總長度設(shè)為均勻密繞制，所以每層線圈總長度L = N0 dw 當(dāng)考慮繞制工藝的利用系數(shù)當(dāng)考慮繞制工藝的利用系數(shù)f1時(shí)，則時(shí)，則f 1L = N0 dw 于是，于是，每層匝數(shù)為每層匝數(shù)為N0 = f1 L/ / dw5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 設(shè)線圈共繞制設(shè)線圈共繞制n層，則層，則h = nf2dw式中，式中，f2為填充系數(shù)。所以線圈層數(shù)為為填充系數(shù)。所以線圈層數(shù)為n = h/ /( (f2dw) )則線圈的總匝數(shù)為則線圈的總匝數(shù)為N = nN0工作氣隙中線圈匝數(shù)用工作氣隙中線圈匝數(shù)用Nd表示，則表示，則Nd = Nld/ /L

27、 = nN0ld/ /L5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為輸出足夠大的電勢，應(yīng)增加線圈匝數(shù)。為輸出足夠大的電勢，應(yīng)增加線圈匝數(shù)。根據(jù)以上分析可知，線圈總匝數(shù)不僅和根據(jù)以上分析可知，線圈總匝數(shù)不僅和L、h有有關(guān)，也和漆包線的直徑關(guān)，也和漆包線的直徑dw有關(guān)。選用較細(xì)的漆有關(guān)。選用較細(xì)的漆包線可增加線圈匝數(shù)，但線圈電阻也增加，需包線可增加線圈匝數(shù)，但線圈電阻也增加，需考慮與外電路的考慮與外電路的阻抗匹配阻抗匹配及及線圈發(fā)熱線圈發(fā)熱等問題。等問題。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 3. .動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 ( (1) )固有頻率計(jì)算固有頻率計(jì)算 根據(jù)動(dòng)態(tài)特性可知，只根據(jù)

28、動(dòng)態(tài)特性可知，只有有w ww w0時(shí)時(shí)，才能保證一定的測量精度。，才能保證一定的測量精度。 增大動(dòng)圈增大動(dòng)圈( (或動(dòng)鐵或動(dòng)鐵) )部分的質(zhì)量，或者選擇較部分的質(zhì)量，或者選擇較柔軟的彈簧，都可降低固有頻率，因柔軟的彈簧，都可降低固有頻率，因w w02k/ /m。不過，選擇柔軟的彈簧有利于減小傳感器體積與不過，選擇柔軟的彈簧有利于減小傳感器體積與重量，及附加在振動(dòng)體上的載荷。當(dāng)然，不必要重量，及附加在振動(dòng)體上的載荷。當(dāng)然，不必要求固有頻率太低，需綜合考慮物體振動(dòng)的頻率范求固有頻率太低，需綜合考慮物體振動(dòng)的頻率范圍、允許振幅誤差等因素。圍、允許振幅誤差等因素。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要

29、點(diǎn)( (2) )彈簧設(shè)計(jì)彈簧設(shè)計(jì) 當(dāng)當(dāng)w w0及及m已知時(shí)，可根據(jù)已知時(shí)，可根據(jù)kmw w02計(jì)算彈簧剛度計(jì)算彈簧剛度k。但這里計(jì)算的是。但這里計(jì)算的是總剛度總剛度。磁電感應(yīng)式傳感器通常由磁電感應(yīng)式傳感器通常由兩個(gè)彈簧并聯(lián)兩個(gè)彈簧并聯(lián)工作，總工作，總剛度等于兩個(gè)彈簧剛度的和。選取每個(gè)彈簧之剛剛度等于兩個(gè)彈簧剛度的和。選取每個(gè)彈簧之剛度的原則是，在靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)使質(zhì)量塊保持在傳度的原則是，在靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)使質(zhì)量塊保持在傳感器的中間位置。感器的中間位置。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) ( (3) )阻尼計(jì)算和阻尼器設(shè)計(jì)阻尼計(jì)算和阻尼器設(shè)計(jì) 磁電感應(yīng)式傳磁電感應(yīng)式傳感器中，適當(dāng)?shù)匾胱枘岵粌H可

30、以衰減自由振蕩，感器中，適當(dāng)?shù)匾胱枘岵粌H可以衰減自由振蕩，還可降低共振峰，改善頻響特性，提高測量精度。還可降低共振峰，改善頻響特性，提高測量精度。常用的阻尼器常用的阻尼器有空氣阻尼器有空氣阻尼器、硅油阻尼器硅油阻尼器和和電磁電磁阻尼器阻尼器，它們各有特點(diǎn)。電磁阻尼器，它們各有特點(diǎn)。電磁阻尼器( (往往就是往往就是線圈的金屬骨架線圈的金屬骨架) )結(jié)構(gòu)簡單，阻尼系數(shù)受溫度影結(jié)構(gòu)簡單，阻尼系數(shù)受溫度影響也不大，故較多采用。響也不大，故較多采用。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)電磁阻尼的原理是，當(dāng)金屬骨架相對于永久電磁阻尼的原理是，當(dāng)金屬骨架相對于永久磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于閉合線圈作切割磁力線

31、運(yùn)動(dòng)，磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于閉合線圈作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢導(dǎo)致在金屬骨架內(nèi)從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢導(dǎo)致在金屬骨架內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在磁場中又會(huì)受到與線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在磁場中又會(huì)受到與線圈運(yùn)動(dòng)方向相反的洛侖茲力作用，起到阻礙運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向相反的洛侖茲力作用，起到阻礙運(yùn)動(dòng)的效果。效果。5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 假設(shè)金屬骨架的平均直假設(shè)金屬骨架的平均直徑為徑為D，厚度為，厚度為t，電阻率為，電阻率為r r。當(dāng)它以速度。當(dāng)它以速度 在工作氣隙在工作氣隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，對于中運(yùn)動(dòng)時(shí)，對于理想的粘性理想的粘性阻尼阻尼( (阻尼力與速度阻尼力與速度 成正成正比比)

32、)，若忽略漏磁和雜散磁，若忽略漏磁和雜散磁場，則電磁阻尼系數(shù)場，則電磁阻尼系數(shù)c為為).(/135d2rtlDBc 5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 確定動(dòng)圈確定動(dòng)圈( (或動(dòng)鐵或動(dòng)鐵) )部分的部分的w w0與與m后，傳感器后，傳感器的電磁阻尼系數(shù)的電磁阻尼系數(shù)c與阻尼比與阻尼比x x( (一般取一般取0.60.7) )的的關(guān)系為關(guān)系為).(145 20 xwmc 可通過改變可通過改變t來調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)c的大小，以得到較好的的大小，以得到較好的頻響特性。頻響特性。 /0AS( )/n0.11.0101020.11.010過阻尼最佳阻尼中頻靈敏度高頻下降欠阻尼5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感

33、器磁電感應(yīng)式傳感器5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 接入測量電路后，磁電感應(yīng)式傳感器的輸接入測量電路后，磁電感應(yīng)式傳感器的輸出電流為出電流為iiRRBlNRRei)15. 5(iiRRBLRRBlNiSi式中，式中，Ri為測量電路的輸入電阻，為測量電路的輸入電阻，R為線圈的等為線圈的等效電阻。傳感器的電流靈敏度為效電阻。傳

34、感器的電流靈敏度為式中，式中，LlN為工作氣隙中線圈的總長度。為工作氣隙中線圈的總長度。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變場干擾、機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。電流靈敏度的相對誤差為化而產(chǎn)生測量誤差。電流靈敏度的相對誤差為)16. 5(ddddiRRRLLBBSSii)15. 5(iiRRBLRRBlNiSi5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 1. .永久磁鐵穩(wěn)定性分析永久磁鐵穩(wěn)定性分析 Bm的穩(wěn)定性直接影響的穩(wěn)定性直接影響B(tài)的穩(wěn)定性

35、。的穩(wěn)定性。 ( (1) )時(shí)間因素的影響時(shí)間因素的影響 試驗(yàn)表明，永久磁試驗(yàn)表明，永久磁鐵的磁性能一般隨時(shí)間而變。主要原因是永磁鐵的磁性能一般隨時(shí)間而變。主要原因是永磁材料在淬火和鑄造后內(nèi)部存在應(yīng)力，但隨著時(shí)材料在淬火和鑄造后內(nèi)部存在應(yīng)力，但隨著時(shí)間的推移，內(nèi)應(yīng)力逐漸消失。為此，一般需要間的推移，內(nèi)應(yīng)力逐漸消失。為此，一般需要在充磁前進(jìn)行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。在充磁前進(jìn)行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 ( (2) )外界磁場的影響外界磁場的影響 永久磁鐵受到外界交流永久磁鐵受到外界交流磁場或反向直流磁場作用時(shí)，工作點(diǎn)不能保持穩(wěn)磁場或反向直流磁場作用時(shí)，工作

36、點(diǎn)不能保持穩(wěn)定，將使定，將使B發(fā)生變化。為此，除采取屏蔽措施外，發(fā)生變化。為此，除采取屏蔽措施外，還應(yīng)進(jìn)行交流穩(wěn)磁處理。還應(yīng)進(jìn)行交流穩(wěn)磁處理。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 ( (3) )溫度的影響溫度的影響 試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度，Br，且一般不能恢復(fù)到原位置，恢復(fù)程度主要，且一般不能恢復(fù)到原位置，恢復(fù)程度主要與材料冶金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)。鋁鎳鈷永磁合金與材料冶金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)。鋁鎳鈷永磁合金在冶金結(jié)構(gòu)上有較高的溫度穩(wěn)定性，在在冶金結(jié)構(gòu)上有較高的溫度穩(wěn)定性，在500 以以下工作時(shí)，磁性能幾乎不變。下工作時(shí)，磁性能幾乎不變。 其溫度穩(wěn)定性與工作點(diǎn)的位置也有關(guān)系，工其

37、溫度穩(wěn)定性與工作點(diǎn)的位置也有關(guān)系，工作點(diǎn)選擇在最大磁能積附近時(shí)，溫度系數(shù)較小，作點(diǎn)選擇在最大磁能積附近時(shí)，溫度系數(shù)較小，且一般為負(fù)值。為提高溫度穩(wěn)定性，一般是進(jìn)行且一般為負(fù)值。為提高溫度穩(wěn)定性，一般是進(jìn)行35次溫度穩(wěn)定性循環(huán)處理。次溫度穩(wěn)定性循環(huán)處理。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 ( (4) )振動(dòng)與沖擊的影響振動(dòng)與沖擊的影響 受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊作用之后，內(nèi)應(yīng)力增加，部分磁分子排列發(fā)生變作用之后，內(nèi)應(yīng)力增加，部分磁分子排列發(fā)生變化，導(dǎo)致磁性能變壞。為此，一般將充磁后的永化，導(dǎo)致磁性能變壞。為此，一般將充磁后的永久磁鐵按一定技術(shù)要求，先經(jīng)受約千次的振動(dòng)和久磁鐵按

38、一定技術(shù)要求，先經(jīng)受約千次的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，振動(dòng)和沖擊值取今后工作中可能遇到?jīng)_擊試驗(yàn)，振動(dòng)和沖擊值取今后工作中可能遇到的最大值。的最大值。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 2. .溫度誤差溫度誤差 當(dāng)溫度變化時(shí)，式當(dāng)溫度變化時(shí)，式( (5. .16) )中三項(xiàng)都不為零。中三項(xiàng)都不為零。對銅線，對銅線，dL/ /L0.167104/，dR/ /R0.43 102/。dB/ /B取決于永久磁鐵的材料。對鋁鎳鈷取決于永久磁鐵的材料。對鋁鎳鈷永磁合金，永磁合金，dB/ /B0.02102/，這樣，由式，這樣，由式( (5. .16) )可得近似值可得近似值C/%45. 0這一數(shù)值非?？捎^，

39、這一數(shù)值非?？捎^， 所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 補(bǔ)償通常采用補(bǔ)償通常采用熱磁分流器熱磁分流器。它由具有很大。它由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成，在正常工作負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成，在正常工作溫度下將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度溫度下將空氣隙磁通分路掉一小部分。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它升高時(shí)，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例顯著降低，空氣分流掉的磁通占總磁通的比例顯著降低，空氣隙中的工作磁通增加，使輸出增加，從而抵消隙中的工作磁通增加，使輸出增加，從而抵消因因R增加造成的輸

40、出減小，維持傳感器靈敏度增加造成的輸出減小，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。為常數(shù)。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 3. .非線性誤差分析非線性誤差分析 ( (1) )線圈的磁場效應(yīng)線圈的磁場效應(yīng) 產(chǎn)產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是，生非線性誤差的主要原因是，傳感器線圈內(nèi)有電流流過，將傳感器線圈內(nèi)有電流流過，將產(chǎn)生與工作磁通相反的磁通。產(chǎn)生與工作磁通相反的磁通。線圈運(yùn)動(dòng)速度越大，反向磁場線圈運(yùn)動(dòng)速度越大，反向磁場越強(qiáng)，使得傳感器的靈敏度隨越強(qiáng)，使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。著被測速度的增大而降低。5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及

41、補(bǔ)償 為此，可加入補(bǔ)償為此，可加入補(bǔ)償線圈。補(bǔ)償線圈可以和線圈。補(bǔ)償線圈可以和工作線圈串聯(lián)但繞向相工作線圈串聯(lián)但繞向相反。也可讓補(bǔ)償線圈中反。也可讓補(bǔ)償線圈中通過由測量電路反饋的通過由測量電路反饋的放大后的電流，則補(bǔ)償放大后的電流，則補(bǔ)償線圈的匝數(shù)可較少。線圈的匝數(shù)可較少。 12NS1工作線圈；工作線圈；2補(bǔ)償線圈補(bǔ)償線圈5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 ( (2) )氣隙磁場不均勻氣隙磁場不均勻 在在導(dǎo)磁帽上用機(jī)械方法強(qiáng)行固定導(dǎo)磁帽上用機(jī)械方法強(qiáng)行固定一個(gè)與主磁鋼充磁方向相反的一個(gè)與主磁鋼充磁方向相反的鉑鈷磁片，把主磁鋼的磁力線鉑鈷磁片，把主磁鋼的磁力線大部分壓到工作氣隙中。這樣

42、大部分壓到工作氣隙中。這樣既可減少軸向漏磁，提高磁鋼既可減少軸向漏磁，提高磁鋼的利用系數(shù)，又可使磁場的均的利用系數(shù)，又可使磁場的均勻性增加，非線性誤差減小。勻性增加，非線性誤差減小。12NS1鉑鈷磁片；鉑鈷磁片；2磁帽磁帽 5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償 ( (3) )電磁阻尼器引起的非線性電磁阻尼器引起的非線性 傳感器采用傳感器采用電磁阻尼器時(shí)，也將使其非線性增大。所以，電磁阻尼器時(shí)，也將使其非線性增大。所以，精度要求較高時(shí)，最好不要用電磁阻尼器。精度要求較高時(shí)，最好不要用電磁阻尼器。5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作

43、原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路 磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢，磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢，且通常具有較高的靈敏度，因而對測量電路且通常具有較高的靈敏度，因而對測量電路一般無特殊要求。一般無特殊要求。它一般用于測振動(dòng)速度它一般用于測振動(dòng)速度，即輸出信號與振動(dòng)速度成比例。如要進(jìn)一步即輸出信號與振動(dòng)速度成比例。如要進(jìn)一步獲取振動(dòng)位移或振動(dòng)加速度，可配用適當(dāng)?shù)墨@取振動(dòng)

44、位移或振動(dòng)加速度，可配用適當(dāng)?shù)姆e分電路或微分電路。積分電路或微分電路。5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路 選擇開關(guān)選擇開關(guān)Sw接通線接通線1時(shí)，得到的是振動(dòng)速度時(shí)，得到的是振動(dòng)速度信號。信號。Sw接通線接通線2時(shí)，經(jīng)過積分電路處理，得到時(shí)，經(jīng)過積分電路處理，得到的是振動(dòng)位移信號。接通線的是振動(dòng)位移信號。接通線3時(shí)，得到的是振動(dòng)時(shí)，得到的是振動(dòng)加速度信號。加速度信號。前置放大微分電路積分電路主放電路顯示或記錄磁電式傳感器量程選擇Sw1235.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性5.1

45、.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 1. 1.磁電感應(yīng)式扭矩儀磁電感應(yīng)式扭矩儀 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子( (包括線圈包括線圈) )固定在傳感器軸上，固定在傳感器軸上，定子定子( (永久磁鐵永久磁鐵) )固定固定在傳感器外殼上。在傳感器外殼上。 e1432 測扭矩時(shí)，需兩個(gè)傳感器，將它們的轉(zhuǎn)軸分測扭矩時(shí)，需兩個(gè)傳感器，將它們的轉(zhuǎn)軸分別固定在被測軸的兩端，外殼固定不動(dòng)。安裝時(shí)，別固定在被測軸的兩端，外殼固定不動(dòng)。安裝時(shí)，一個(gè)傳感器的定子齒與轉(zhuǎn)子齒相對，另一個(gè)的定一個(gè)傳感器的定子齒與轉(zhuǎn)子齒相

46、對，另一個(gè)的定子槽與轉(zhuǎn)子齒相對。子槽與轉(zhuǎn)子齒相對。5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 被測軸無外加扭矩時(shí)，扭轉(zhuǎn)角為零。此時(shí)若被測軸無外加扭矩時(shí)，扭轉(zhuǎn)角為零。此時(shí)若轉(zhuǎn)軸以一定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則在兩個(gè)傳感器中產(chǎn)轉(zhuǎn)軸以一定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則在兩個(gè)傳感器中產(chǎn)生相位差為生相位差為180 、波形近似為正弦波的兩個(gè)感應(yīng)、波形近似為正弦波的兩個(gè)感應(yīng)電勢。被測軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)電勢。被測軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，對固定系統(tǒng)，在彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角與扭矩角，對固定系統(tǒng)，在彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角與扭矩成正比。兩個(gè)感應(yīng)電勢將因扭轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生附加相成正比。兩個(gè)感

47、應(yīng)電勢將因扭轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生附加相位差。設(shè)定子位差。設(shè)定子( (或轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子) )的齒數(shù)為的齒數(shù)為z，則扭轉(zhuǎn)角，則扭轉(zhuǎn)角 和和感應(yīng)電勢附加相位差感應(yīng)電勢附加相位差F F的關(guān)系為的關(guān)系為 )17. 5(Fz5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例磁電感應(yīng)式扭矩儀示意圖磁電感應(yīng)式扭矩儀示意圖5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 2. .測振傳感器測振傳感器 圖示為圖示為CD-1型振動(dòng)速度傳感器，靈敏度型振動(dòng)速度傳感器，靈敏度600 mV/(/(cm/ /s) )；最大可測位移；最大可測位移1 mm；最大可測加；最大可測加速度速度50 m/ /s2；頻率范圍；頻率范圍10500 Hz；線性度；線性度5

48、 %；屬絕對振動(dòng)傳感器；固有頻率屬絕對振動(dòng)傳感器；固有頻率12 Hz；線圈內(nèi)阻；線圈內(nèi)阻1.9 kW W。 3 4 56718125.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 工作時(shí)，傳感器與被測物體剛性連接。當(dāng)工作時(shí)，傳感器與被測物體剛性連接。當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，物體振動(dòng)時(shí)，傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)，線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。動(dòng)，線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。3 4 56718125.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 3. .磁電感應(yīng)式流量計(jì)磁電感應(yīng)式流量計(jì) 導(dǎo)管絕緣，只要

49、被測流體是導(dǎo)電的，水平方導(dǎo)管絕緣，只要被測流體是導(dǎo)電的，水平方向的兩電極上就感應(yīng)出電勢。感應(yīng)電勢和單位時(shí)向的兩電極上就感應(yīng)出電勢。感應(yīng)電勢和單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)管橫截面的流體體積成正比。間內(nèi)通過導(dǎo)管橫截面的流體體積成正比。NS差動(dòng)放大輸出5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 這種流量計(jì)雖要求流體必須是導(dǎo)電的，但它這種流量計(jì)雖要求流體必須是導(dǎo)電的，但它無機(jī)械可動(dòng)部分，電極不妨礙流體的流動(dòng)，不受無機(jī)械可動(dòng)部分，電極不妨礙流體的流動(dòng)，不受流體粘度的影響，受流速分布的影響也較小，具流體粘度的影響，受流速分布的影響也較小，具有很寬的測量范圍有很寬的測量范圍( (0.005190000 m3/ /h) )

50、及較高及較高的測量精度的測量精度( (可達(dá)可達(dá)0.5 %) )，并且可以雙向測量。，并且可以雙向測量。5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 4. .磁電式力發(fā)生器與激振器磁電式力發(fā)生器與激振器 給工作線圈輸入電量時(shí)，給工作線圈輸入電量時(shí)，可輸出機(jī)械量。根據(jù)這一原可輸出機(jī)械量。根據(jù)這一原理，可構(gòu)成撓性陀螺力矩器、理，可構(gòu)成撓性陀螺力矩器、電磁振動(dòng)臺(tái)等輸出機(jī)械量的電磁振動(dòng)臺(tái)等輸出機(jī)械量的裝置。其中，裝置。其中，電磁振動(dòng)臺(tái)電磁振動(dòng)臺(tái)作作為激振器是機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試為激振器是機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的重要設(shè)備。驗(yàn)的重要設(shè)備。1234567181支承彈簧；支承彈簧；2殼體；殼體；3磁鋼；磁鋼；4頂桿；頂桿；5鐵

51、心；鐵心；6磁極；磁極；7線圈；線圈；8試件試件 5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.1.1 5.1.1 工作原理和結(jié)構(gòu)形式工作原理和結(jié)構(gòu)形式5.1.2 5.1.2 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性5.1.3 5.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.1.4 5.1.4 誤差及補(bǔ)償誤差及補(bǔ)償5.1.5 5.1.5 測量電路測量電路5.1.6 5.1.6 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例第第5 5章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5.1 5.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.2 5.2 磁柵式傳感器磁柵式傳感器5.3 5.3 霍爾式傳感器霍爾式傳感器5.4 5.4 磁敏元件磁敏元件 5.2 5.2 磁柵式傳感器磁柵式傳

52、感器 磁柵式傳感器主要由磁柵式傳感器主要由磁柵磁柵和和磁頭磁頭組成。磁柵組成。磁柵是利用磁帶錄音的原理，將周期變化的電信號是利用磁帶錄音的原理，將周期變化的電信號( (正正弦波或矩形波弦波或矩形波) )轉(zhuǎn)換成圓形或長條形磁柵上等間距轉(zhuǎn)換成圓形或長條形磁柵上等間距的磁信號。裝有磁柵式傳感器的裝置工作時(shí)，磁的磁信號。裝有磁柵式傳感器的裝置工作時(shí)，磁頭把磁柵上的磁信號讀出來，即可把磁頭與磁柵頭把磁柵上的磁信號讀出來，即可把磁頭與磁柵之間的相對位置或相對運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電信號。之間的相對位置或相對運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成電信號。 5.2 5.2 磁柵式傳感器磁柵式傳感器 磁柵式傳感器的特點(diǎn)磁柵式傳感器的特點(diǎn) (

53、(1) )錄制方便，成本低廉，當(dāng)錄制的磁柵信錄制方便，成本低廉，當(dāng)錄制的磁柵信號不合適的時(shí)候可抹去重錄。號不合適的時(shí)候可抹去重錄。 ( (2) )使用方便，可以在儀器或機(jī)床上安裝好使用方便，可以在儀器或機(jī)床上安裝好后再錄制磁柵信號，因而可避免安裝誤差。后再錄制磁柵信號，因而可避免安裝誤差。 ( (3) )可方便地錄制任意節(jié)距的磁柵信號。例可方便地錄制任意節(jié)距的磁柵信號。例如在檢查蝸桿時(shí)，希望基準(zhǔn)量中含有如在檢查蝸桿時(shí)，希望基準(zhǔn)量中含有p p因子，可因子，可以在錄制時(shí)加以考慮。以在錄制時(shí)加以考慮。5.2 5.2 磁柵式傳感器磁柵式傳感器 磁柵式傳感器的應(yīng)用磁柵式傳感器的應(yīng)用 ( (1) )可作為

54、高精度的長度或角度測量儀器使可作為高精度的長度或角度測量儀器使用。由于可采用激光定位錄磁，故可得到較高用。由于可采用激光定位錄磁，故可得到較高的精度。目前系統(tǒng)精度可達(dá)的精度。目前系統(tǒng)精度可達(dá)0.01 mm/ /m，分，分辨力可達(dá)辨力可達(dá)15 m mm。 ( (2) )可用作自動(dòng)化系統(tǒng)中的檢測元件。例如可用作自動(dòng)化系統(tǒng)中的檢測元件。例如在三坐標(biāo)測量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床及高精度重、在三坐標(biāo)測量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床及高精度重、中型機(jī)床控制系統(tǒng)中，均有應(yīng)用。中型機(jī)床控制系統(tǒng)中，均有應(yīng)用。5.2 5.2 磁柵式傳感器磁柵式傳感器5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理5.2.2 5.2.2 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)

55、5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理 磁柵傳感器磁柵傳感器的的類型類型主要取決于磁柵主要取決于磁柵，可分為，可分為長磁柵長磁柵和和圓磁柵圓磁柵兩大類。兩大類。工作原理則主要取決于工作原理則主要取決于磁頭磁頭，有，有動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭和和靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭之分。之分。12NSN SNNSN SN S S1. .磁柵的類型磁柵的類型 基本結(jié)構(gòu)如圖所示，基本結(jié)構(gòu)如圖所示，基體是用非導(dǎo)磁材料做成基體是用非導(dǎo)磁材料做成的，上面鍍一層均勻的磁的，上面鍍一層均勻的磁性薄膜。性薄膜。1磁性薄膜；磁性薄膜；2磁柵基體磁柵基體5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理 磁柵分磁柵分長磁柵長磁柵和和圓磁柵圓磁

56、柵兩大類。前者用于兩大類。前者用于測直線位移或速度，磁信號節(jié)距一般為測直線位移或速度，磁信號節(jié)距一般為0.05 mm或或0.02 mm。后者用于測角位移或轉(zhuǎn)速，磁信號。后者用于測角位移或轉(zhuǎn)速，磁信號角節(jié)距為幾到幾十角分。角節(jié)距為幾到幾十角分。 NSNSSNS 長磁柵又分為長磁柵又分為尺型尺型、同軸同軸型型和和帶型帶型三種。尺型磁柵如圖三種。尺型磁柵如圖所示。工作時(shí)磁頭沿磁尺的基所示。工作時(shí)磁頭沿磁尺的基準(zhǔn)面運(yùn)動(dòng)，不與磁尺接觸，主準(zhǔn)面運(yùn)動(dòng)，不與磁尺接觸，主要用于精度要求較高的場合。要用于精度要求較高的場合。5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理 同軸型磁柵同軸型磁柵如圖所示如圖所示，磁頭套

57、在磁棒上工作，磁頭套在磁棒上工作，兩者之間有微小的間隙。磁棒的工作區(qū)被磁頭圍兩者之間有微小的間隙。磁棒的工作區(qū)被磁頭圍住，對周圍磁場起到很好的屏蔽作用，所以抗干住，對周圍磁場起到很好的屏蔽作用，所以抗干擾能力強(qiáng)。這種磁柵式傳感器結(jié)構(gòu)特別小巧，可擾能力強(qiáng)。這種磁柵式傳感器結(jié)構(gòu)特別小巧，可用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合或小型測量裝置中。用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合或小型測量裝置中。NSSNNSSNSNNS5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理帶型磁柵如圖所示。帶狀磁尺的錄磁與工作帶型磁柵如圖所示。帶狀磁尺的錄磁與工作均在張緊狀態(tài)下進(jìn)行。磁頭在接觸狀態(tài)下讀取信均在張緊狀態(tài)下進(jìn)行。磁頭在接觸狀態(tài)下讀取信號，能在振動(dòng)環(huán)

58、境中正常工作。為防止磁尺磨損，號，能在振動(dòng)環(huán)境中正常工作。為防止磁尺磨損，可在磁尺表面涂上幾可在磁尺表面涂上幾m mm厚的保護(hù)層。這種磁柵式厚的保護(hù)層。這種磁柵式傳感器量程較大。傳感器量程較大。154321-磁尺；磁尺；2-軟墊；軟墊；3-防塵屏蔽罩；防塵屏蔽罩；4-上壓板；上壓板；5-拉緊板拉緊板5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理圓磁柵傳感器如圖所示。磁盤圓柱面上的磁圓磁柵傳感器如圖所示。磁盤圓柱面上的磁信號由磁頭讀取，磁頭與磁盤之間應(yīng)有微小間隙信號由磁頭讀取，磁頭與磁盤之間應(yīng)有微小間隙以免磨損。以免磨損。1231磁盤；磁盤；2屏蔽罩；屏蔽罩；3磁頭磁頭 5.2.1 5.2.1 類

59、型和原理類型和原理 2. .磁頭類型、結(jié)構(gòu)及工作原理磁頭類型、結(jié)構(gòu)及工作原理 按讀取信號的方式，磁頭有按讀取信號的方式，磁頭有動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭與與靜態(tài)靜態(tài)磁頭磁頭兩種。兩種。 ( (1) )動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭 動(dòng)態(tài)磁動(dòng)態(tài)磁頭為頭為非調(diào)制式磁頭非調(diào)制式磁頭，又稱，又稱速速度響應(yīng)式磁頭度響應(yīng)式磁頭，它只有一組，它只有一組線圈。鐵心由鐵鎳合金片疊線圈。鐵心由鐵鎳合金片疊成，前端夾著銅片，后端磨成，前端夾著銅片，后端磨光靠緊。光靠緊。5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理 設(shè)線圈匝數(shù)為設(shè)線圈匝數(shù)為N，磁信號節(jié)距為，磁信號節(jié)距為W。當(dāng)磁頭以。當(dāng)磁頭以速度速度 相對于長磁柵移動(dòng)時(shí)，磁頭中的磁通量相對于

60、長磁柵移動(dòng)時(shí)，磁頭中的磁通量 近近似按正弦規(guī)律變化，設(shè)其峰值為似按正弦規(guī)律變化，設(shè)其峰值為 m，可寫成，可寫成 )18. 5(2sinmWx5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理 由于電磁感應(yīng)將在磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電由于電磁感應(yīng)將在磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢勢e，其表達(dá)式為，其表達(dá)式為 )19. 5(2cosddddddddWxAxNtxxNtNe 由上式可知，相對運(yùn)動(dòng)速度為零時(shí)無信號由上式可知，相對運(yùn)動(dòng)速度為零時(shí)無信號輸出，因此它不適于測位移。輸出，因此它不適于測位移。 5.2.1 5.2.1 類型和原理類型和原理( (2) )靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭 靜態(tài)磁頭是靜態(tài)磁頭是調(diào)制式磁頭調(diào)制式磁頭，又