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1、传感器与检测技术第五章磁电式传感器第1页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器磁磁电电式式传传感感器器是是通通过过磁磁电电作作用用将将被被测测量量(如如如如振振振振动动动动、位位位位移移移移、转转转转速速速速等等等等)转转换换成成电电信信号号的的一一种种传传感感器器。磁磁电电感感应应式式传传感感器器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。霍尔式传感器都是磁电式传感器。磁磁电电感感应应式式传传感感器器是是利利用用导导体体和和磁磁场场发发生生相相对对运运动动产产生感应电势的。生感应电势的。霍霍尔尔式式传传感感器器为为载载流流半半导导体体在在磁磁场场中中有有电电磁磁效效应应(霍霍尔尔效应效
2、应)而输出电势的。而输出电势的。而输出电势的。而输出电势的。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.2 5.2 霍尔式传感器霍尔式传感器本章要点本章要点第2页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器5.15.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器磁电感应式传感器 磁磁电电式式传传感感器器是是利利用用电电磁磁感感应应原原理理，将将运运动动速速度度、位位移移等等物物理理量量转转换换成成线线圈圈中中的的感感应应电电动动势势输输出出。工工作作时时不不需需要要外外加
3、加电电源源，可可直直接接将将被被测测物物体体的的机机械械能能转转换换为为电电量量输出。是典型的有源传感器。输出。是典型的有源传感器。特点：特点：输输出出功功率率大大，稳稳定定可可靠靠，可可简简化化二二次次仪仪表表，但但频频率率响响应低。通常在应低。通常在1010100HZ100HZ100HZ100HZ适合作机械振动测量、转速测量。适合作机械振动测量、转速测量。适合作机械振动测量、转速测量。适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机机械械能能电电量量第3页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器5.1.1工作原理和结构类型工作原理和结构类型磁
4、电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即圈所包围的磁链对时间的变化率，即W-W-线圈匝数：线圈匝数：-线圈所包围的磁通量。线圈所包围的磁通量。线圈所包围的磁通量。线圈所包围的磁通量。第4页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器若线圈相对磁场运动为速度若线圈相对磁场运动为速度若线圈相对磁场运动为速度若线圈相对磁场运动为速度v v v v或角转度或角转度或角转度或角转度时，则式时，则式时，则式时，则式(5-1)(5-
5、1)(5-1)(5-1)可改写为可改写为可改写为可改写为 e e-WBlv WBlv B B：磁场磁感应强度；：磁场磁感应强度；：磁场磁感应强度；：磁场磁感应强度；l l:每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度每匝线圈的有效长度v: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 或或或或e e-WBsWBsS S：每匝线圈的截面积每匝线圈的截面积每匝线圈的截面积每匝线圈的截面积: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第5页，本讲
6、稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器在传感器中，当结构参数确定后即在传感器中，当结构参数确定后即在传感器中，当结构参数确定后即在传感器中，当结构参数确定后即B B、l l、W、s s均为定均为定值，那么感应电势值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度与线圈相对磁场的运动速度(v(v或或或或)成正比。成正比。成正比。成正比。根据上述原理，人们设计了两种类型的结构：一种根据上述原理，人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。是变磁通式；另一种是恒定磁通式。第6页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感
7、器 5 51 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.2 5.1.2 结构类型结构类型结构类型结构类型根据以上原理有两种磁电感应式传感器：根据以上原理有两种磁电感应式传感器：变磁通式：线圈、磁铁静止不动，变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件 可以是线圈也可以是磁铁。可以是线圈也可以是磁铁。第7页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器 5 51 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传
8、感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.2 5.1.2 结构类型结构类型结构类型结构类型变磁通式：线圈、磁铁静止不动，变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。转动物体引起磁阻、磁通变化。（a a）开磁路）开磁路 （b b）闭磁路）闭磁路第8页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器第9页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器 5 51 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.2 5.1.2 结构类型结构类型结构类型结构类型恒磁通式：磁
9、路系统恒定磁场运动部件可以是线圈恒磁通式：磁路系统恒定磁场运动部件可以是线圈也可以是磁铁。也可以是磁铁。恒磁通式恒磁通式第10页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器51 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.2 结构类型结构类型 电磁式传感器通常用来做机械振动测量。电磁式传感器通常用来做机械振动测量。振动传感器结构大体分两种：振动传感器结构大体分两种：动铁型（线圈与壳体固定）动铁型（线圈与壳体固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）动圈型（永久磁铁与壳固定）磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁铁与线圈之间相对运动运动速度接近振动速度，磁路空气隙中的线
10、圈切割磁力线，磁路空气隙中的线圈切割磁力线，产生于正比振动速度的感应电动势产生于正比振动速度的感应电动势 。第11页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器51 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.2 结构类型结构类型动铁型动铁型动圈型动圈型第12页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器第13页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器实例：振动速度传感器实例：振动速度传感器属于惯性式传感器。是利用磁电属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹
11、它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。簧阻尼等部分组成。工作时，将传感器安装在机器上，工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接，即可显示振动与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位移量的大小。也可以输送速度或位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行到其它二次仪表或交流电压表进行测量测量。第14页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传
12、感器磁电式传感器内部结构第15页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器1弹簧弹簧2壳体壳体3阻尼环阻尼环4磁钢磁钢5线圈线圈6芯轴芯轴v在测振时，传感器固定或紧压于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统的振动而振动。v装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯性系统的质量块并在磁场中运动。动圈式振动传感器动圈式振动传感器第16页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器5.1.3 5.1.3 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的应用磁电感应式传感器的应用振动监测振动监测振动监测振动监测第17页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式
13、传感器飞机振动模态分析飞机振动模态分析第18页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器电动激振器电动激振器第19页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器转速测量转速测量第20页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器v磁电感应式转速传感器的结构原理如图所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（导磁体）示。当安装在被测转轴上的齿轮（导磁体）旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，从而在线圈上感应出频率和幅值的间隙，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号均与轴转速
14、成比例的交流电压信号u u0 0。v由于感应电压与磁通由于感应电压与磁通的变化率成比的变化率成比例，即例，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，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，电压幅值会减当转速低到一定程度时，电压幅值会减小到无法检测出来的程度。故这种传感小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。器不适合于低速测量。为提高低转速的测量效果，可采用电为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。涡流式转速传感器。第21页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器 5 51 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器
15、（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.3 5.1.3 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的应用磁电感应式传感器的应用 第22页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器 5 51 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.3 5.1.3 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的应用磁电感应式传感器的应用 n 信号输出送测量电路信号输出送测量电路 接入积分电路测量位移；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。接入微分电路测量
16、加速度。第23页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器 5 51 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.3 5.1.3 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的应用磁电感应式传感器的应用积分电路输出积分电路输出微分电路输出微分电路输出 第24页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器图5-10 无源积分电路图5-11 有源积分电路第25页，本讲稿共27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器图5-14 无源微分电路图5-15 基本有源微分电路第26页，本讲稿共
17、27页 第五章第五章 磁电式传感器磁电式传感器 5 51 1 磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）磁电感应式传感器（电动式）5.1.3 5.1.3 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的应用磁电感应式传感器的应用 磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器的特性：磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要 静止的基准参考，可直接装在被测体上。静止的基准参考，可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号速度传感器的输出电压正比于速度信号 ，便于直接放大。便于直接放大。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。输出阻抗低，对后置电路要求低，干扰小。第27页，本讲稿共27页