传感器原理及其应用 第6章 磁电式传感器

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1、传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors第6章磁电式传感器Magnetoelectricsensors6.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。它是一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，所以得到普遍应用。磁电感应式传感器是以电

2、磁感应原理为基础的。由法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势E(V)的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，即磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类。6.1.1恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割磁力线而产生。这类结

3、构有动圈式和动铁式两种，如图所示。磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度dx/dt成正比的感应电动势E，其大小为式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应强度；l为每匝线圈平均长度。当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振

4、动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10Hz左右，高的可达2kHz左右。6.1.2变磁通式磁电感应传感器结构与工作原理变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。变磁通式转速传感器的结构有开磁路和闭磁路两种。如图所示开磁路变磁通式转速传感器。测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，从

5、而使磁通发生变化，因而在线圈3中感应出交变的电势，其频率等于齿轮的齿数Z和转速n的乘积，即式中：Z为齿轮齿数；n为被测轴转速(v/min)；f为感应电动势频率(Hz)。这样当已知Z，测得f就知道n了。开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。被测转轴带动椭圆形测量轮5在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻和磁通也同样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮5的转速n(r

6、/min)成正比，即f=n/30。在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮5，软铁(极掌)制成内齿轮形式，这时输出信号频率f同前式。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～+90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100kHz。2．振动测量工作频率10～500Hz最大可测加速度5g精度≤10％固有频率12Hz可测振幅范围0.1～1000外形尺寸45mm×160mm灵敏度604mV·s·cm-1工作线圈内阻1.9质量0.7

7、kg1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架；5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线6.1.3磁电感应式传感器的应用1．转速测量3．扭矩测量当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差。扭转角与感应电动势相位差的关系为式中：z为传感器定子、转子的齿数。6.2霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变

8、化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达级)。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器