第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 主要内容：主要内容：1.1.磁电式传感器的工作原理；磁电式传感器的工作原理；2.2.磁电式传感器的测量电路磁电式传感器的测量电路 ；3.3.磁电式传感器的应用。磁电式传感器的应用。第第 7 7 章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器是利用磁电式传感器是利用电磁感应电磁感应原理，将输入运动速度变换原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。有时也称作感器。有时也称作电动式或感应式电动式或感应式传感器，传感器， 它只适合进它只适合进行行动态测量动态测量由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为零位及性能稳定；工作频带一般为1010 1000Hz1000Hz。磁电式传。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力( (矩矩) )发生器和电磁激振器等。发生器和电磁激振器等。 磁电式传感器机机械械能能电电量量第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 7.1 7.1 磁电式传感器的惯性测量原理及其数学模型磁电式传感器的惯性测量原理及其数学模型7.1.1 7.1.1 惯性测量原理惯性测量原理磁电式传感器的基本工作原理是建立在电磁感应定律的基磁电式传感器的基本工作原理是建立在电磁感应定律的基础上，即：础上，即： ，此式成立的条件有两个：，此式成立的条件有两个：1 1）产生磁通的磁场固定不变，导线或线圈相对磁场运动切割）产生磁通的磁场固定不变，导线或线圈相对磁场运动切割 磁力线便产生感应电势磁力线便产生感应电势e;e;2 2）导线或线圈固定不动磁场本身产生变化，即有梯度）导线或线圈固定不动磁场本身产生变化，即有梯度 存在产生感应电势。存在产生感应电势。综上，产生感应电势的唯一条件是二者必须有相对变化，这综上，产生感应电势的唯一条件是二者必须有相对变化，这样将传感器安装在被测的运动体上，不需要参考坐标系就可通样将传感器安装在被测的运动体上，不需要参考坐标系就可通过测量这种相对运动而获得被测体的绝对运动。故过测量这种相对运动而获得被测体的绝对运动。故称为相对测量原理，也称惯性原理。称为相对测量原理，也称惯性原理。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:每匝线圈的长度每匝线圈的长度：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：每匝线圈的截面积：每匝线圈的截面积：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；: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(a)旋转型（； (b)平移型（变气隙） 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 两种基本类型l恒定磁通式：恒定磁通式：l工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线圈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。相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。l变磁变磁阻阻式：式：l磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产生。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：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第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁阻调制磁阻调制( (变磁阻变磁阻) )型磁电式传感器的工作原理型磁电式传感器的工作原理 开磁路磁电式转速传感器开磁路磁电式转速传感器 1-1-被测旋转体；被测旋转体；2-2-测量齿轮；测量齿轮；3-3-线圈；线圈；4-4-软铁；软铁；5-5-永久磁铁永久磁铁原理：磁阻变化原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号，输出周期感应脉冲信号， f f=Nn/60=Nn/60NN齿轮的齿数；齿轮的齿数；nn转速转速(r/min)(r/min)；f f感应脉冲信号频率。感应脉冲信号频率。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 7.1.2 7.1.2 惯性测量原理的数学模型惯性测量原理的数学模型 1. 1. 磁电式传感器的结构磁电式传感器的结构 永久磁铁永久磁铁线圈线圈弹簧弹簧阻尼器阻尼器2. 2. 相对测量原理数学分析相对测量原理数学分析 电磁阻尼：线圈金属骨架在电磁阻尼：线圈金属骨架在磁场中运动产生感应出涡流磁场中运动产生感应出涡流而受到反方向的作用力。而受到反方向的作用力。空气阻尼：空气阻尼：第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 mckx0xm设：设：x x0 0-振动体的绝对振动体的绝对位移；位移；x xm m-质量块的绝对位移质量块的绝对位移第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 当当wwwwn n（w3ww3wn n ) )时，时，x xt t/x/x0 0=1=1x xt t=x=x0 0,m,m看作静止不动看作静止不动=-180=-180l当当wwn（w3wn)时，时，xt/x0=1lxt=x0,m看作静止不动看作静止不动l=-180l关于工作频段：关于工作频段：l阻尼比阻尼比的影响：的影响：较大（较大（0.7左右），减小共振峰，左右），减小共振峰，改善低频响应。改善低频响应。l固有频率固有频率wn的影响：降低的影响：降低wn，扩大低频段。，扩大低频段。l理想情况，当理想情况，当wwnl线圈中的感应电势：线圈中的感应电势：e=WBlvl灵敏度：灵敏度：S=WBl振动速度输出电压vAvBvC工作范围实际特性理想特性v速度太小速度太小（vA),惯性力不足以克服摩擦力惯性力不足以克服摩擦力v速度太大速度太大（Vc),惯性太大，超出弹簧弹性范惯性太大，超出弹簧弹性范围围实际输出特性实际输出特性第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 7.2 7.2 磁电式传感器磁电式传感器7.2.1 7.2.1 结构特点结构特点 l动铁式：线圈组件与传感器壳体固定，永久磁铁用柔软的动铁式：线圈组件与传感器壳体固定，永久磁铁用柔软的弹簧支撑。弹簧支撑。l又称惯性式又称惯性式l动圈式：永久磁铁与传感器壳体固定，线圈组件用柔软的动圈式：永久磁铁与传感器壳体固定，线圈组件用柔软的弹簧支撑。弹簧支撑。l相对动铁式，惯性质量小，增加阻尼比。相对动铁式，惯性质量小，增加阻尼比。l直接式直接式l壳体固定于一部件上，通过顶杆与另一部件相连接壳体固定于一部件上，通过顶杆与另一部件相连接动圈式NS永久磁铁线圈弹簧7.2.27.2.2磁电式传感器的误差磁电式传感器的误差温度误差温度误差/ /永久磁铁的不稳定性误差永久磁铁的不稳定性误差/ /非线性误差非线性误差第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 7.3 7.3 磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用属于惯性式传感器。是利用磁属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。质量、弹簧阻尼等部分组成。工作时，将传感器安装在机器工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振生感应电压，该电压值正比于振动速度值。动速度值。与二次仪表相配接，即可显示与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位移量的大小。也可振动速度或位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量。压表进行测量。实例：振动速度传感器动圈式振动传感器弹簧片阻尼杯磁钢芯轴壳体线圈引线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v在测振时，传感器固定或在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢紧压于被测系统，磁钢4 4与壳与壳体体2 2一起随被测系统的振动而一起随被测系统的振动而振动。振动。v装在芯轴装在芯轴6 6上的线圈上的线圈5 5和阻和阻尼环尼环3 3组成惯性系统的质量块组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。并在磁场中运动。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v直接式磁电式传感器，直接式磁电式传感器，用来测量振动系统中两用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速部件之间的相对振动速度。度。v壳体固定于一部件上，壳体固定于一部件上，而顶杆与另一部件相连而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部接。从而使传感器内部的线圈与磁钢产生相对的线圈与磁钢产生相对运动，发出相应的电动运动，发出相应的电动势来。势来。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式扭矩传感器结构示意图磁电式扭矩传感器结构示意图转轴无负载（无扭矩）以旋转时，两端输出等幅、同频、相差180的两近似正弦波；当有负载（有扭矩）时，两感应输出产生附加相差0n ,可见测出附加相差0使可测出扭角0 / n ，从而测出扭矩 。 扭矩测量12测量仪表uwt如图( 磁电感应式扭矩传感器)所示，在转轴上固定两个齿轮1和2，它们的材质、尺寸、齿形和齿数均相同。永久磁铁和线圈组成的磁电式检测头3和4对着齿顶安装。当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。转轴承受扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式转速传感器磁电式转速传感器 定子、转子相对转动时，由于槽、定子、转子相对转动时，由于槽、齿相对位置交替变化，则磁通周期齿相对位置交替变化，则磁通周期变化，从而在线圈中产生近似周期性变化，从而在线圈中产生近似周期性正弦信号输出，其频率与转速成正比正弦信号输出，其频率与转速成正比。 第第7 7章章 磁电式传感器磁电式传感器 7. 5、应用振动监测飞机地面振动实验系统原理方框图飞机振动模态分析飞机振动模态分析激振器电动式激振器按其磁场的形成方法分有永磁式和励磁式电动式激振器按其磁场的形成方法分有永磁式和励磁式两种。前者多用于小型激振器，后者多用于较大型的激两种。前者多用于小型激振器，后者多用于较大型的激振器，即振动台。电动式激振器的结构如图所示，振器，即振动台。电动式激振器的结构如图所示，驱动线圈固装在顶杆上，并由支承弹簧支承在壳体中驱动线圈固装在顶杆上，并由支承弹簧支承在壳体中，线圈正好位于磁极与铁芯的气隙中。当线圈通过经功，线圈正好位于磁极与铁芯的气隙中。当线圈通过经功率放大后的交变电流率放大后的交变电流i时，根据磁场中载流体受力的原理，时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流线圈将受到与电流i成正比的电动力的作用，此力通过顶杆成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。传到被测对象，即为激振力。但是，由顶杆施加到被激但是，由顶杆施加到被激对象上的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比（电对象上的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比（电动力与激振力之比）与激振器运动部分和被动力与激振力之比）与激振器运动部分和被测对象本身的测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关，而且还是频率的函数。只有质量刚度、阻尼等因素有关，而且还是频率的函数。只有当激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计，当激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性也很好且激振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力。的情况下才可以认为电动力等于激振力。