磁电感应式传感器.doc

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1、第5章磁电式传感器磁电式传感器通过磁电作用将被测量转换成电信号。可分为磁电感应式传感器和霍尔式传感器。5.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器又叫电动式传感器或感应式传感器。它利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移和转速等）转换成电信号。它是有源传感器，不需要辅助电源就能将被测机械量转换成易于测量的电量。它输出功率大，性能稳定，有一定的工作带宽（10~1000Hz），故应用比较广。5.1.1工作原理和结构类型由电磁感应定律，匝是线圈在恒定磁场中运动，线圈两端感应电动势为（5.1.1）其中是磁通量变化率。若线圈相对于磁场的运动速度和角速度分别为和时，则（5.

2、1.2）（5.1.3）其中为每匝线圈的平均长度，为磁感应强度，为每匝线圈的平均截面积。由（5.1.2）和（5.1.3）式可以看出，当结构参数确定后，那么感应电动势就只是的函数，且成正比，故可用来测振动和转速。根据结构的不同，磁电感应式传感器可分为变磁通式和恒磁通式两种类型。图5.1.1变磁通式磁电感应式传感器的结构和工作原理变磁通式又叫变磁阻式，可分为开磁路和闭磁路两种。开磁路变磁通式结构如图5.1.1（a）所示。线圈3和磁铁5静止不动，2（由导磁材料制成）安装在被测旋转物理上，随被测物体1一起转动。当齿轮转动时，每转过一个齿，传感器磁路的磁阻就变化一次

3、，磁通也变化一次，3中的感应电动势也变化一次。因此3中感应电动势的变化频率等于2上的齿数和转速的乘积。闭磁路变磁通式结构如图5.1.1（b）所示。被测转轴1带动椭圆形铁芯2在磁场气隙中作周期性转动，使气隙平均长度发生周期性变化，磁路的磁阻也发生周期性变化，磁通发生变化，故线圈3中感应电动势的频率正比于2的转速。恒定磁通式又可分为动圈式和动铁式两种。图5.1.2（a）为动圈式。永久磁铁4产生恒定磁场，它固定在传感器的壳体内。线圈3绕在金属骨架1上，1固定在弹簧2上，2与壳体5相连。当5和4随被测物体一起振动时，由于2较软，而3和金属骨架质量太大，跟不上振动

4、的节奏。可认为线圈3静止不动，振动能量被弹簧2吸收，磁铁4与线圈3相对运动，相当于线圈3做切割磁力线，产生与运动速度成正比的感应电动势（5.1.4）这是长方形线圈，其中为线圈匝数，为磁感应强度，为每杂线圈的平均长度。图5.1.2（b）为动铁式。图5.1.2恒磁通式磁电感应式传感器的结构和工作原理5.1.2动态特性分析磁电感应式传感器只能用于测量动态的物理量，故需要研究其动态特性。描述动态特性可用微分方程和传递函数。而对于高阶复杂的机械系统，求解高阶微分方程很困难。如果引入机械阻抗的概念，用系统的传递函数描述其动态特性会很方便。1机械阻抗对于图5.1.2所

5、示的传感器系统，当测量简谐运动时，传感器相当于一个二端口网络，如图5.1.3所示，其输入量为机械量，输出量为电量。如果内部无能量损耗，则输入的机械量将全部转换为电能输出，这种传感器叫理想传感器。而实际上，传感器内部是存在损耗的，在输入端有机械阻抗，在输出端有电阻抗，分别记为和，如图5.1.4所示。图5.1.3理想传感器的基本框图图5.1.4实际传感器的基本框图图5.1.5二阶机械系统和二阶电路系统图5.1.2所示的传感器系统可等效一个二阶的机械系统，如图5.1.5（a）所示。它由质量块，弹簧（弹性系数）和阻尼器（阻尼系数）组成。作用在质量块上的合力为零，

6、则（5.1.5）其中为惯性力，为弹性力，为阻尼力，为驱动力。所以有（5.1.6）图5.1.5（b）为串联电路，其电压方程为这两个方程形式上相似，因此这连个系统可以相互模拟。电路系统的阻抗为（5.1.7）其谐振频率为（5.1.7）类比得到机械系统的机械阻抗为（5.1.8）下标m是指mechanical（机械的）。机械系统的固有频率为（5.1.9）2传递矩阵图5.1.5所示的传感器系统中，输入端是机械系统，有机械阻抗，输出端是电路系统，有电阻抗，因此可将图5.1.4所示的框图用三个二端口网络表示，如图5.1.6所示。图中的参数均为复数，箭头方向是能量流动的参

7、考方向，并不代表实际方向。图5.1.6磁电感应式传感器的二端口网络1）传感器机械阻抗的传递矩阵在图5.1.2中，将待测的物体和壳是固定在一起的，设壳的速度为，质量块（阻尼器、线圈）的速度为，则壳相对于质量块的速度为（5.1.10）对于质量块，受到的力有阻尼力，弹簧力，电磁力，惯性力。、和与有关，（5.1.11）整理得（5.1.12）将代入上式得到（5.1.13）将代入上式，得到设正弦激励（等效外加在壳体上的驱动力）为，输入量为壳体相对于阻尼器的运动速度，则有（5.1.14）将上式写成矩阵形式（5.1.15）2）理想传感器的传递矩阵当一个实际传感器不考虑机

8、械阻抗时就是理想传感器。由电磁感应定律可知线圈的感应电动势为（5.1.16）负号