传感器原理 磁电式传感器精.ppt

传感器原理传感器原理磁电式磁电式传感器传感器1第1页，本讲稿共63页7.1概述概述基本原理：基本原理：利用电磁感应原理，将输入利用电磁感应原理，将输入(运动速度运动速度)转转换换成线圈中感应电动势输出的传感器。成线圈中感应电动势输出的传感器。特点：特点：有源传感器：不需要提供电源有源传感器：不需要提供电源;具有双向转换特性具有双向转换特性;具有较大的输出功率具有较大的输出功率;只适用于动态测量。只适用于动态测量。2第2页，本讲稿共63页工作原理工作原理由电磁感应定律，当由电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为过线圈的磁通为，则线圈的感应电动势，则线圈的感应电动势e为为：3第3页，本讲稿共63页线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：电势为：B：磁场磁感应强度；：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度：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，m/s线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电势为：线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电势为：S：每匝线圈的围成的面积：每匝线圈的围成的面积：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4第4页，本讲稿共63页两种基本类型两种基本类型恒定磁通式：恒定磁通式：工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线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。圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。变磁通式：变磁通式：磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产生，如图示转速测量：生，如图示转速测量：1一永久磁铁2一软磁铁3一感应线圈4一测量齿轮5第5页，本讲稿共63页6第6页，本讲稿共63页SN7.2磁电式振动传感器磁电式振动传感器一、工作原理与动态特性一、工作原理与动态特性壳体线圈永久磁铁弹簧7第7页，本讲稿共63页动动铁铁式式振振动动传传感感器器演演示示振动非常缓慢时：磁铁随壳体运动；快速振动时：磁铁相对壳体运动幅度加大，相位相反。8第8页，本讲稿共63页动圈式传感器用于振动测试9第9页，本讲稿共63页构成构成永久磁铁永久磁铁:产生磁场产生磁场线圈：感生出电动势线圈：感生出电动势弹簧：弹性恢复弹簧：弹性恢复阻尼器阻尼器电磁阻尼：线圈金电磁阻尼：线圈金属骨架在磁场中运属骨架在磁场中运动，产生感应涡流，动，产生感应涡流，而受到反方向的作而受到反方向的作用力。用力。空气阻尼：空气阻尼：壳体壳体:提供闭合磁路提供闭合磁路、磁屏蔽磁屏蔽mckx0 xm动态特性分析动态特性分析二阶系统表示二阶系统表示10第10页，本讲稿共63页注意：位移符号与书上不同！11第11页，本讲稿共63页设：x0-振动体的绝对位移；xm-质量块的绝对位移运动正方向向上，所有力（包括惯性力）假设正方向向上，根据力平衡原理，有：12第12页，本讲稿共63页13第13页，本讲稿共63页若振动体作简谐振动，将D=j代入：振幅比：振幅比：14第14页，本讲稿共63页频率特性：频率特性：当当 0时：时：当当 0时：时：当当 0时：时：15第15页，本讲稿共63页16第16页，本讲稿共63页质量体受力（力传感器）质量体受力（力传感器）17第17页，本讲稿共63页基座受力（运动传感器）基座受力（运动传感器）18第18页，本讲稿共63页测力传感器00.11.04.01.00.12.010520.70.50.2测振动19第19页，本讲稿共63页讨讨论论当当 0（3 0)时，时，xt/x0 1xt x0,m近似看作静止不动近似看作静止不动=-1800关于工作频段：关于工作频段：阻尼比阻尼比 的影响：的影响：增大增大（0.7左右），可左右），可以减小共振峰，改善低频响应。以减小共振峰，改善低频响应。固有频率固有频率 0的影响：降低的影响：降低 0，扩大低频段。，扩大低频段。理想情况，当理想情况，当 0线圈中的感应电势：线圈中的感应电势：e=WBlv灵敏度：灵敏度：s=WBl20第20页，本讲稿共63页例题例题1：设计一个磁电式振动速度传感器，要求：设计一个磁电式振动速度传感器，要求振动频率为振动频率为50Hz时，最大振幅误差不超过时，最大振幅误差不超过5，0.6，求传感器的固有频率及输出的相位。，求传感器的固有频率及输出的相位。解：解：当当 0时，时，1)；LD1D2D3th42第42页，本讲稿共63页7.4参数设计参数设计一、固有频率的确定一、固有频率的确定43第43页，本讲稿共63页Conclusions：1）为了保证精度，要求：）为了保证精度，要求：/032）为了改善低频响应性能，可以采取的措施：）为了改善低频响应性能，可以采取的措施：K、m 0注意：注意：K静挠度静挠度,m传感器变重传感器变重3）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度；）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度；4）合理选择固有频率。）合理选择固有频率。44第44页，本讲稿共63页弹簧刚度计算弹簧刚度计算两弹簧选择原则：使质量块处于中间位置。弹簧刚度：垂直放置：下面刚度的大，上面的小。45第45页，本讲稿共63页阻尼系数计算阻尼系数计算电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）：金属骨架在磁场中作相对运动并切割磁力线时，感生涡流并受到磁场力的作用，力的方向与运动方向相反。46第46页，本讲稿共63页阻尼器阻尼器阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰，阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰，改善频率响应特性，提高测试精度。改善频率响应特性，提高测试精度。阻尼系数与阻尼比的关系为：阻尼系数与阻尼比的关系为：理想的阻尼比为：理想的阻尼比为：47第47页，本讲稿共63页阻尼器阻尼器阻尼器电磁阻尼器空气阻尼器金属杯阻尼器Dcp:金属杯平均直径；lg:气隙深度；t:金属杯的壁厚；:金属材料的电阻率。48第48页，本讲稿共63页空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）49第49页，本讲稿共63页7.5应用应用磁电式振动传感器的特点：1）输出阻抗小；）输出阻抗小；2）对绝缘、放大器的要求不高；）对绝缘、放大器的要求不高；3）信号强，噪声干扰可忽略；）信号强，噪声干扰可忽略；4）体积、重量大，有磨损；）体积、重量大，有磨损；5）工作温度不高（）工作温度不高（120C)；6）频率响应不高）频率响应不高(102000Hz)。（以上相对压电式而言）（以上相对压电式而言）50第50页，本讲稿共63页监测振动监测振动51第51页，本讲稿共63页飞机地面振动实验系统原理方框图飞机地面振动实验系统原理方框图52第52页，本讲稿共63页飞机振动模态分析53第53页，本讲稿共63页逆向应用逆向应用-电动激振器电动激振器54第54页，本讲稿共63页转速测量转速测量55第55页，本讲稿共63页磁电感应式转速传感器的结构原理如磁电感应式转速传感器的结构原理如图所示。当安装在被测转轴上的齿轮图所示。当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈上感磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成比例的交应出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号流电压信号u0。由于感应电压与磁通由于感应电压与磁通的变化率成比例，的变化率成比例，即即 (W是线圈匝数）是线圈匝数）故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速故随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。测量。为提高低转速的测量效果，可采用为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。电涡流式转速传感器。56第56页，本讲稿共63页扭矩测量扭矩测量12测量仪表ut57第57页，本讲稿共63页如图(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。58第58页，本讲稿共63页本章要点本章要点1）磁电式传感器（振动传感器）的工作原理）磁电式传感器（振动传感器）的工作原理2）结构特点）结构特点结构组成：永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（电磁阻尼：金属结构组成：永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器（电磁阻尼：金属骨架在磁场中运动产生、空气阻尼）、壳体骨架在磁场中运动产生、空气阻尼）、壳体结构形式：动圈式、动铁式结构形式：动圈式、动铁式3）二阶系统表示：）二阶系统表示：4）典型应用：振动监测、转速、扭距测量）典型应用：振动监测、转速、扭距测量59第59页，本讲稿共63页作业：73，7560第60页，本讲稿共63页用导磁材料制成的物体运动时，改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，使线圈产生感应电动势。磁阻式转速传感器有两种：1.开磁路开磁路结构简单，空气磁阻大。2.闭磁路磁回路由转轴、内外齿轮、线圈回到磁铁闭合。当转轴与被测轴一起转动时，转轴上的内齿轮和磁铁一起转动，内外齿轮的相对运动使磁路气隙发生变化，因而磁阻变化并使穿过线圈的磁通量发生周期性变化，在线圈中产生周期变化的感应电势。其特点是磁路磁阻小，输出信号大，受被测轴振动干扰小。61第61页，本讲稿共63页62第62页，本讲稿共63页w/w0 xt/x00131.0-90-18063第63页，本讲稿共63页