磁電式傳感器 (2)課件

第5章磁電式傳感器磁電式傳感器的傳遞矩陣和動(dòng)態(tài)特性1.2第5章磁電式傳感器基本原理和結(jié)構(gòu)型式5.15.2磁電式傳感器的應(yīng)用5.44.4第5章磁電式傳感器磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。磁電式傳感器有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器，它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10～1000Hz。第一節(jié)基本原理和結(jié)構(gòu)型式第5章磁電式傳感器圖5.1

變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型（變磁））；(b)平移型（變氣隙）第5章磁電式傳感器其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動(dòng)鐵心3(銜鐵)的運(yùn)動(dòng)使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。

在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢(shì)是由于永久磁鐵與線圈之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)——線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如圖5-2所示。

圖5.2恒磁通式結(jié)構(gòu)(a)動(dòng)圈式；(b)動(dòng)鐵式

第5章磁電式傳感器第5章磁電式傳感器

當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式(5-2)中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢(shì)e僅與相對(duì)速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為

為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長(zhǎng)度，以提高氣隙磁通密度B；增加ｌa和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。

(5-3)第5章磁電式傳感器一.傳遞矩陣㈠.機(jī)械阻抗圖5.3(a)所示的質(zhì)量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數(shù)為c的單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動(dòng)速度和位移分別為v(圖中即ν)和x，由此可列出力平衡方程第二節(jié)磁電式傳感器的傳遞矩陣和動(dòng)態(tài)特性(5-4)圖5.3(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯(lián)電路，設(shè)電源電壓為u，回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程

這兩個(gè)微分方程式雖然機(jī)電內(nèi)容不同，但形式相同。因此，這兩個(gè)系統(tǒng)為一對(duì)相似系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)求解它的微分方程來討論其動(dòng)態(tài)特性，故上述兩相似系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性必然一致，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電模擬。

第5章磁電式傳感器(5-5)第5章磁電式傳感器在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯(lián)系起來的一個(gè)參數(shù)，可以設(shè)想，如同電路中的電阻抗一樣，假設(shè)機(jī)械系統(tǒng)存在“機(jī)械阻抗”ZM。類似于電系統(tǒng)，由式(5-4)可得(5-6)

可見ZM是將機(jī)械系統(tǒng)中某一點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)響

應(yīng)與引起這個(gè)運(yùn)動(dòng)的力聯(lián)系起來的一個(gè)參數(shù)。由此可得，作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的線性機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械阻抗的定義為機(jī)械阻抗ZM(復(fù)數(shù))=激振力(復(fù)數(shù))/運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(復(fù)數(shù))（5-7）第5章磁電式傳感器

引用機(jī)械阻抗概念來分析機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就可以用簡(jiǎn)單的代數(shù)方法求得描述動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)，而不必求解微分方程。㈡.傳遞矩陣在圖5.2所示的傳感器中，作用在運(yùn)動(dòng)部件（質(zhì)量塊）上的力有：彈簧力阻尼力慣性力電磁力第5章磁電式傳感器

質(zhì)量塊上力的平衡方程式為

當(dāng)振動(dòng)體振動(dòng)速度為v0、質(zhì)量塊速度為Vm、傳感器殼體與質(zhì)量塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為Vt(Vt=v0-Vm)時(shí),由力平衡關(guān)系，機(jī)械阻抗定義和(5-6)可得

（5-8）

第5章磁電式傳感器

設(shè)線圈電感為L(zhǎng)、內(nèi)電阻為R，則Ze＝R＋jｌω。如果傳感器與測(cè)量電路的輸入端相連，則電路輸入阻抗即為傳感器負(fù)載阻抗Ze0，通常Ze0。由于傳感器作測(cè)量用，電氣端電源e，故e＝iZe0。因此實(shí)際磁電式傳感器的傳遞矩陣為(5-10)或?qū)⑵湔归_成第5章磁電式傳感器(5-11)二.動(dòng)態(tài)特性

由上(5-11)將,,及代入第一式，即可求得傳感器的頻率傳遞函數(shù)

第5章磁電式傳感器(5-12)由于傳感器的固有角頻率為故式(5-12)可改寫為

第5章磁電式傳感器圖5.4

磁電式傳感器的頻響特性

第5章磁電式傳感器

傳感器作為電壓輸出時(shí)，一般，故式(5-13)可簡(jiǎn)化為

(5-14)由式(5-14)和圖5.4可以看出：

(1).當(dāng)被測(cè)振動(dòng)體的振動(dòng)頻率ω低于傳感器的固有頻率ω，即(ω/ω)＜1時(shí)，傳感器的靈敏度隨頻率變化而明顯地變化。第5章磁電式傳感器

(2).當(dāng)被測(cè)體振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率時(shí)，靈敏度接近為一常數(shù)，它基本上不隨頻率變化。在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動(dòng)速度成正比。這一頻段即傳感器的工作頻段，或稱作頻響范圍。這時(shí)傳感器可看作是一個(gè)理想的速度傳感器。(3).當(dāng)頻率更高時(shí)，由于線圈阻抗的增加，靈敏度也將隨著頻率的增加而下降。

必須指出，以上是對(duì)慣性式磁電傳感器而言的。對(duì)于動(dòng)圈與測(cè)桿相固連的直接式磁電傳感器，其上限工作頻率取決于傳感器的彈簣剛度k值。一般說來，直接式傳感器頻響范圍可從零到幾百Hz，高至10kHz。第5章磁電式傳感器(一).測(cè)振傳感器的應(yīng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測(cè)振傳感器的工作特性由圖5.3可知，振動(dòng)傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性(絕對(duì))式測(cè)振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。這樣，在較高振動(dòng)頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對(duì)大地靜止。這時(shí)，振動(dòng)體(同傳感器殼體)相對(duì)質(zhì)量塊的位移y(輸出)就可真實(shí)地反映振動(dòng)體相對(duì)大地的振幅x(輸入)。第5章磁電式傳感器二.磁電式力發(fā)生器與激振器

前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機(jī)械量。