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1、传感器原理磁电式传传感器原理磁电式传感器感器1第1页，共63页，编辑于2022年，星期四7.1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)转换转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，共63页，编辑于2022年，星期四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，设穿过匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线
2、圈的磁通为线圈的磁通为，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，共63页，编辑于2022年，星期四线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感生电势为：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
3、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，共63页，编辑于2022年，星期四两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，共63页，编辑于2022年，星期四6第6页
4、，共63页，编辑于2022年，星期四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，共63页，编辑于2022年，星期四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；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快速振动时：磁铁相对壳体运动幅度加大，相位相反。加大，相位相反。8第8页，共63页，编辑于2022年，星期四动圈式传感器用于振动测试9第9页，共63页，编辑于2022年，星期四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
5、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，共63页，编辑于2022年，星期四注意：位移符号与书上不同！注意：位移符号与书上不同！11第11页，共63页，编辑于2022年，星期四设：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，共63页，编辑于2022
6、年，星期四13第13页，共63页，编辑于2022年，星期四若振动体作简谐振动，将D=j代入：振幅比：振幅比：14第14页，共63页，编辑于2022年，星期四频率特性：频率特性：当当 0时：时：当当 0时：时：当当 0时：时：15第15页，共63页，编辑于2022年，星期四16第16页，共63页，编辑于2022年，星期四质量体受力（力传感器）质量体受力（力传感器）17第17页，共63页，编辑于2022年，星期四基座受力（运动传感器）基座受力（运动传感器）18第18页，共63页，编辑于2022年，星期四测力传感器测力传感器00.11.04.01.00.12.010520.70.50.2测振动测振动
7、19第19页，共63页，编辑于2022年，星期四讨讨论论当当 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，共63页，编辑于2022年，星期四例题例题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
8、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，共63页，编辑于2022年，星期四7.4参数设计参数设计一、固有频率的确定一、固有频率的确定43第43页，共63页，编辑于2022年，星期四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
9、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，共63页，编辑于2022年，星期四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，共63页，编辑于2022年，星期四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，共63页，编辑于2022年，星期四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
10、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，共63页，编辑于2022年，星期四阻尼器阻尼器阻尼器阻尼器电磁阻尼器电磁阻尼器空气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，共63页，编辑于2022年，星期四空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）49第49页，共63页，编辑于2022年，星期四7.5应用应用磁电式振动传感器的特点：磁电式振动传感器的特点：1）输出阻抗小；）输出阻抗小；2）对
11、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，共63页，编辑于2022年，星期四监测振动监测振动51第51页，共63页，编辑于2022年，星期四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，共63页，编辑于2022年，星期四飞机振动模态分析飞机振动模态分析53第53页，共63页，编辑于2022年，星期四逆
12、向应用逆向应用-电动激振器电动激振器54第54页，共63页，编辑于2022年，星期四转速测量转速测量55第55页，共63页，编辑于2022年，星期四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成比例的交流电压信号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
13、圈匝数）故随着转速下降输出电压幅值减小，当转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。故这种传感器不适合法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。于低速测量。为提高低转速的测量效果，可采用电涡为提高低转速的测量效果，可采用电涡流式转速传感器。流式转速传感器。56第56页，共63页，编辑于2022年，星期四扭矩测量扭矩测量12测量仪表ut57第57页，共63页，编辑于2022年，星期四如如图图(磁磁电电感感应应式式扭扭矩矩传传感感器器)所所示示，在在转转轴轴上上固固定定两两个个齿齿轮轮1和和2，它它们们的的
14、材材质质、尺尺寸寸、齿齿形形和和齿齿数数均均相相同同。永永久久磁磁铁铁和和线线圈圈组组成成的的磁磁电电式式检检测测头头3和和4对对着着齿齿顶顶安安装装。当当转转轴轴不不受受扭扭矩矩时时，两两线线圈圈输输出出信信号号相相同同，相相位位差差为为零零。转转轴轴承承受受扭扭矩矩后后，相相位位差差不不为为零零，且且随随两两齿齿轮轮所所在在横横截截面面之之间间相相对对扭扭转转角角的的增增加加而而加加大大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。其大小与相对扭转角、扭矩成正比。58第58页，共63页，编辑于2022年，星期四本章要点本章要点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
15、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，共63页，编辑于2022年，星期四作业：作业：7 73 3，7 75 560第60页，共63页，编辑于2022年，星期四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，用导磁材料制成的物体运动时，改变
16、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。使线圈产生感应电动势。磁阻式转速传感器有两种：磁阻式转速传感器有两种：1.1.开磁路开磁路开磁路结构简单，空气磁阻大。开磁路结构简单，空气磁阻大。2.2.闭磁路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，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输出信号大，受被测轴振动干扰小。61第61页，共63页，编辑于2022年，星期四62第62页，共63页，编辑于2022年，星期四w/w0 xt/x00131.0-90-18063第63页，共63页，编辑于2022年，星期四