磁電感應(yīng)式傳感器

磁電感應(yīng)式傳感器第1頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)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(dòng)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(diǎn)：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(diǎn)：這種傳感器的尺寸和重量都較大。應(yīng)用：適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。第2頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理磁電感應(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(yùn)動(dòng)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(shí)，導(dǎo)體中的磁通量Φ發(fā)生變化，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電動(dòng)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(dòng)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(dòng)勢為：第3頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)線圈垂直于磁場方向運(yùn)動(dòng)以速度切割磁力線時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢為：B：線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）。若線圈以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則感生電動(dòng)勢可寫為：式中，S：每匝線圈的平均截面積。第4頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月只要磁通量發(fā)生變化，就有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)的方法很多，主要有：（1）線圈與磁場發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)；（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(dòng)勢e與線圈相對于磁場的運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)測量。第5頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月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(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)勢的頻率作為輸出。第6頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）開磁路變磁通式傳感器1.被測旋轉(zhuǎn)體2.測量輪3.線圈4.軟鐵5.永久磁鐵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(yīng)電動(dòng)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(dòng)，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(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)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。第7頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）閉磁路變磁通式傳感器NS1.被測物體2.測量輪3.線圈4.軟鐵5.永久磁鐵閉磁路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖，被測旋轉(zhuǎn)體1帶動(dòng)橢圓形測量輪2在磁場氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(shí)輸出信號頻率為f=nz/60。其中z為測量齒輪的齒數(shù)。第8頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月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(yùn)動(dòng)部件可以是線圈也可以是磁鐵，因此又分為動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種類型。第9頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月在動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電磁阻尼。這里動(dòng)圈、動(dòng)鐵都是相對于傳感器殼體而言。動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理是完全相同的。第10頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月B：工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)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(dòng)時(shí)，由于彈簧2較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對較大，因此振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的慣性很大，來不及跟隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近于靜止不動(dòng)，振動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體的振動(dòng)速度。磁鐵4與線圈3相對運(yùn)動(dòng)使線圈3切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)勢僅與相對運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，傳感器的靈敏度為：第11頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月不同結(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(dòng)態(tài)物理量，因此這種傳感器主要考慮其動(dòng)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。第12頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月～RRfI0磁電感應(yīng)式傳感器測量電路e（1）輸出電流當(dāng)測量電路如磁電感應(yīng)式傳感器電路時(shí)，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(qiáng)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(yùn)動(dòng)的速度。（2）電流靈敏度第13頁，課件共15頁，創(chuàng)作于2023年2月（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)式傳感器可用于速度、振動(dòng)、扭矩、流量等參數(shù)的測量。