磁电感应式传感器PPT讲稿.ppt

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1、磁电感应式传感器第1页，共15页，编辑于2022年，星期日5.1 磁电感应式传感器的工作原理磁电感应式传感器的工作原理磁磁电电感感应应式式传传感感器器简简称称感感应应式式传传感感器器，也也称称为为电电动动式式传传感感器器。它它是是利利用用电电磁磁感感应应定定律律将将被被测测物物理理量量的的变变化化转转变变为为感感应应电电动动势势输输出出的的装装置置。它它是是一一种种将将机机械械能能转转换为电能换为电能的能量变换型传感器。的能量变换型传感器。优优点点：不不需需要要外外部部供供电电电电源源，有有较较大大的的输输出出功功率率，电电路路简简单单，性性能能稳稳定定，输输出出阻阻抗抗小小，又又具具有有一一

2、定定的的频频率率响响应应范范围围(一一般般为为10101000Hz)1000Hz)。缺点：缺点：这种传感器的尺寸和重量都较大。这种传感器的尺寸和重量都较大。应用：应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。适用于振动、转速、扭矩等测量。第2页，共15页，编辑于2022年，星期日工作原理工作原理磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，当运动导体在磁场中切割磁力线或线圈电磁感应定律可知，当运动导体在磁场中切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，导体中的磁通量所在磁场的磁通变化时，导体中的磁通量发生生变化，在化，在导体中体中产生

3、感生生感生电动势e，当，当导体形成体形成闭合回路就会出合回路就会出现感感应电流。流。导体中感体中感应电动势e的大小与回路所包的大小与回路所包围的磁通量的的磁通量的变化率成正比，化率成正比，则N匝匝线圈在圈在变化磁化磁场中感中感应电动势为：第3页，共15页，编辑于2022年，星期日当线圈垂直于磁场方向运动以速度当线圈垂直于磁场方向运动以速度 切割磁力线时，切割磁力线时，感应电动势为：感应电动势为：B：线圈所在磁场的磁感应强度（T）。若线圈以角速度 转动，则感生电动势可写为：式中，S：每匝线圈的平均截面积。第4页，共15页，编辑于2022年，星期日只要磁通量发生变化，就有感应电动势产生，可实只要磁

4、通量发生变化，就有感应电动势产生，可实现的方法很多，主要有：现的方法很多，主要有：（1）线圈与磁场发生相对运动；）线圈与磁场发生相对运动；（2）磁路中磁阻变化；）磁路中磁阻变化；（3）恒定磁场中线圈的面积变化。）恒定磁场中线圈的面积变化。当传感器的结构参数确定后，其中当传感器的结构参数确定后，其中B、N、S均均为定值，则感应电动势为定值，则感应电动势e与线圈相对于磁场的运动与线圈相对于磁场的运动速度速度 或角速度或角速度 成正比。所以，可用磁电感成正比。所以，可用磁电感应式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度应式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进行积分或微分就可以求出位移和加速度。但由

5、进行积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，磁电感应式传感器上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于只适用于动态测量。动态测量。第5页，共15页，编辑于2022年，星期日5.2 磁电感应式传感器的类型磁电感应式传感器的类型按磁场方式分类，磁电感应式传感器分为按磁场方式分类，磁电感应式传感器分为变磁通式变磁通式和和恒定磁恒定磁通式通式两大类，每类还有不同型式。两大类，每类还有不同型式。1.变磁通式变磁通式变磁通式传感器又称为变磁阻磁电感应式传感器或变磁通式传感器又称为变磁阻磁电感应式传感器或变气隙磁电感应式传感器。这类传感器的线圈和磁变气隙磁电感应式传感器。这类传感器的线圈和磁

6、铁固定，利用铁磁性物质制成齿轮（或凸轮）与被铁固定，利用铁磁性物质制成齿轮（或凸轮）与被测物体相连而运动。在运动中，齿轮（或凸轮）不测物体相连而运动。在运动中，齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变线圈的磁通，在线圈断改变磁路的磁阻，从而改变线圈的磁通，在线圈中产生感应电动势。中产生感应电动势。这类传感器在结构上有开磁路和闭这类传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种磁路两种，一般用来测量旋转物体的角速度，产生感应，一般用来测量旋转物体的角速度，产生感应电动势的频率作为输出。电动势的频率作为输出。第6页，共15页，编辑于2022年，星期日（1）开磁路变磁通式传感器）开磁路变磁通式传感器1.被测旋

7、转体被测旋转体2.测量轮测量轮3.线圈线圈4.软铁软铁5.永久磁铁永久磁铁开磁路变磁通式传感器结构示意图开磁路变磁通式传感器结构示意图它与软铁它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。上齿轮的齿数和转速的乘积。如图，线圈如图，线圈3和磁铁和磁铁5静止不动，测量齿静止不动，测量齿轮轮2（导磁材料制成）（导磁材料制成）安装在被测旋转体安装在被测旋转体1上，随之一起转动，上，随之一起转动，每转过一个齿，每转过一个齿，这种传感

8、器结构简单，但需在被测对象上加装齿轮，使这种传感器结构简单，但需在被测对象上加装齿轮，使用不方便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而不宜用不方便，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而不宜测高转速。测高转速。第7页，共15页，编辑于2022年，星期日（2）闭磁路变磁通式传感器）闭磁路变磁通式传感器NS1.被测物体被测物体2.测量轮测量轮3.线圈线圈4.软铁软铁5.永久磁铁永久磁铁闭磁路变磁通式传感器结构原理图闭磁路变磁通式传感器结构原理图如图，被测旋转体如图，被测旋转体1带动椭圆形测量带动椭圆形测量轮轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁平均长

9、度周期性地变化，因而磁路磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈地变化，则在线圈3中产生感应电动中产生感应电动势，其频率势，其频率f 与测量轮与测量轮2的转速的转速n（rad/m）成正比，即）成正比，即f=n/30。在这。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮测量轮2，软铁，软铁4制成内齿轮形式，这制成内齿轮形式，这时输出信号频率为时输出信号频率为f=nz/60。其中。其中z为为测量齿轮的齿数。测量齿轮的齿数。第8页，共15页，编辑于2022年，星期日变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在变磁通式传感器对环境条件要求

10、不高，能在-150+90的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达上限可达100KHz。2.恒定磁通式恒定磁通式恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、金属恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、金属骨架和壳体等组成。磁路系统产生恒定的磁场，磁路中的工作骨架和壳体等组成。磁路系统产生恒定的磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。它们气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。它们的运

11、动部件可以是线圈也可以是磁铁，因此又分为的运动部件可以是线圈也可以是磁铁，因此又分为动圈式动圈式和和动动铁式铁式两种类型。两种类型。第9页，共15页，编辑于2022年，星期日在动圈式中，永久磁铁在动圈式中，永久磁铁4与传感器壳体与传感器壳体5固定固定，线圈，线圈3和金属骨架和金属骨架1（合称线圈组件）用柔软弹簧支撑。（合称线圈组件）用柔软弹簧支撑。在动铁式中，线圈组件（包在动铁式中，线圈组件（包括括3和和1）与壳体）与壳体5固定固定，永久磁铁，永久磁铁4用柔软弹簧用柔软弹簧2支撑。两者的阻尼都是金支撑。两者的阻尼都是金属骨架属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。这里动圈、动铁都是相对和磁

12、场发生相对运动而产生的电磁阻尼。这里动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。于传感器壳体而言。动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的。第10页，共15页，编辑于2022年，星期日B：工作气隙磁感应强度；N0：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作数；当壳体当壳体5随被测物体一起振动时，由于弹簧随被测物体一起振动时，由于弹簧2较软，运动部件质较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）量相对较大，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起

13、振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧静止不动，振动能量几乎全被弹簧2吸收，永久磁铁吸收，永久磁铁4与线圈与线圈3之之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度。磁铁间的相对运动速度接近于振动体的振动速度。磁铁4与线圈与线圈3相相对运动使线圈对运动使线圈3切割磁力线，产生与运动速度切割磁力线，产生与运动速度 成正比的感应成正比的感应电动势电动势e为为当传感器结构选定后，其中当传感器结构选定后，其中B、N都是常数，线圈的感应电动都是常数，线圈的感应电动势仅与相对运动速度势仅与相对运动速度 有关，传感器的灵敏度为：有关，传感器的灵敏度为：第11页，共15页，编辑于2022年，星期日不同结构的恒定磁通

14、磁感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一不同结构的恒定磁通磁感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频率响应范围为几十赫兹到几百赫兹。低的可到般频率响应范围为几十赫兹到几百赫兹。低的可到10Hz左右，高的可达左右，高的可达2kHz左右。左右。5.3 磁电感应式传感器的特性分析磁电感应式传感器的特性分析磁电感应式传感器磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量只适用于测量动态物理量，因此这种传感器主要，因此这种传感器主要考虑其动态性能。考虑其动态性能。主要技术指标主要技术指标磁电感应式传感器的主要技术指标有输出电流磁电感应式传感器的主要技术指标有输出电流I0、电流灵敏度、电流灵敏度Ki、输出

15、、输出电压电压U0，以及电压灵敏度，以及电压灵敏度KU。第12页，共15页，编辑于2022年，星期日RRfI0磁电感应式传感器测量电路e（1）输出电流）输出电流当测量电路如磁电感应式传感器电路时，如图，磁当测量电路如磁电感应式传感器电路时，如图，磁电感应式传感器的输出电流电感应式传感器的输出电流B0：工作气隙磁感应强度；：工作气隙磁感应强度；N：在工作气隙磁场中的线圈匝数；：在工作气隙磁场中的线圈匝数；Rf：测量电路输入电阻；：测量电路输入电阻；R：线圈等效电阻；：线圈等效电阻；v：线圈垂直于磁场方向运动的速度。：线圈垂直于磁场方向运动的速度。（2）电流灵敏度）电流灵敏度第13页，共15页，编

16、辑于2022年，星期日（3）输出电压）输出电压（4）电压灵敏度）电压灵敏度5.4 磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器的应用磁电感应式传感器可用于速度、振动、扭矩、流量等参数的测量。磁电感应式传感器可用于速度、振动、扭矩、流量等参数的测量。对应的有对应的有（1）磁电感应式振动加速度传感器）磁电感应式振动加速度传感器（2）磁电感应式转速传感器）磁电感应式转速传感器（3）磁电感应式扭矩仪）磁电感应式扭矩仪（4）磁流量计（所测的流体应具有导电性，蒸馏水以及各种油）磁流量计（所测的流体应具有导电性，蒸馏水以及各种油类都不能使用）类都不能使用）第14页，共15页，编辑于2022年，星期日a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器b)测速电机测速电机第15页，共15页，编辑于2022年，星期日