第 6 章磁电式传感器被测量感应电动势 e

第6章磁电式传感器被测量感应电动势e 6.1 磁电式传感器的原理和结构 6.2 磁电式传感器的设计要点 6.3 磁电式传感器的应用

第6章磁电式传感器 • 磁电式传感器基于电磁感应原理。N匝线圈中的感应电动势为式中，—穿过线圈的磁通量（Wb）；t—时间（s）。磁电式传感器特点：机-电能量变换型传感器（双向传感器），不需要提供电源；电路简单，性能稳定；输出信号强；输出阻抗小；具有一定的频率响应范围；适合于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸一般都较大。

6.1 磁电式传感器的原理和结构 6.1.1 恒定磁通式结构：磁路系统恒定直流磁场气隙中磁通恒定；线圈。图6-1 恒磁通磁电式传感器结构原理图（a）动圈式;（b）动铁式原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v 感应电动势e (6-2) 式中，N—工作线圈匝数；B0—工作气隙中磁感应强度；l0—每匝线圈的平均长度。

6.1 磁电式传感器的原理和结构

6.1 磁电式传感器的原理和结构 6.1.2 变磁通式 1.开磁路变磁通式转速传感器结构：如图6-2（a）所示。图6-2 变磁通磁电式传感器 1-被测旋转体；2-测量齿轮； 3-线圈；4-软铁；5-永久磁铁原理：磁阻变化线圈产生感应电动势输出周期感应脉冲信号， f=Zn/60 （6-3）式中，Z—齿轮的齿数；n—转速(r/min)；f—感应脉冲信号频率

6.1 磁电式传感器的原理和结构 2．闭磁路变气隙（磁通）转速传感器结构：如图6-2（b）所示。原理：椭圆轮旋转空气隙磁阻周期性变化输出感应电动势（e=Emsint）周期脉冲频率（f = n/30）。转速（）低e小存在下限频率(一般为50Hz左右)，上限频率可达100kHz 图6-3 变磁通转速-脉冲转换电路

6.2 磁电式传感器的设计要点 • 基本结构：磁路系统，线圈，运动机构。 • 灵敏度：对恒磁通式：K = e/v = NB0l0。 • 设计要点：（磁电式传感器属机-电能量变换型）根据灵敏度要求， 设计磁路系统，确定B0； 设计线圈，确定N、l0； 设计运动系统，考虑动态响应，确定阻尼、刚度等。

6.2 磁电式传感器的设计要点 1.线圈电阻Ri与负载电阻匹配（RL）磁电式传感器相当于一电势源，其内阻为线圈直流电阻 Ri，指示仪表（或信号调理电路）为其负载RL，要使传感器输出功率最大，必须使Ri=RL。线圈内阻为式中，—导线材料电阻率；S—导线截面积；l0、r—每匝导线平均长度和电阻。当Ri=RL时，可线圈匝数N为图6-4 磁电式传感器等效电路

6.2磁电式传感器的设计要点 2.线圈发热检查线圈表面积 S0 ≥ I2RSt 式中，R—线圈电阻； I—线圈中通过电流； S0—设计线圈表面积； St—每瓦功率所需散热面积(St=9～10 cm2 / W )。

6.2 磁电式传感器的设计要点 3.线圈的磁场效应——非线性误差线圈中的感应电流产生交变磁场叠加在恒定磁场上，减弱气隙工作磁通，带来一定误差。图6-5 磁性材料磁感应强度B 随温度t的关系曲线 1-镍铝钴合金；2-钛钢；3-钨钢； 4-热磁合金补偿方法：增加补偿线圈。

6.2 磁电式传感器的设计要点 4.温度误差：传感器输出电流：当温度升高t℃时：式中，—磁铁磁感强度的正温度系数；i—线圈电阻的正温度系数；L—指示器（或测量电路）电阻的正温度系数。温度误差：可达0.5％/℃ 补偿方法：在磁路系统的两个极靴上用热磁合金加一磁分路。

6.3 磁电式传感器的应用 6.3.1 磁电式振动速度传感器—频率响应特性地震检波器——动圈式图6-4 电动式地震检波器

6.3 磁电式传感器的应用

6.3 磁电式传感器的应用 结构：如图6-6所示，由磁铁、线圈（带框架）、弹簧片组成，线圈（带框架）相当于质量块。特性分析：地震检波器可等效为一质量-弹簧-阻尼(m-k-c)系统，如图6-6(c)所示。惯性质量块与外壳间相对运动速度V(t)=Vm(t)V0(t)，设 x0(t)=xmsint，则 运动方程：

6.3 磁电式传感器的应用 幅频特性： 相频特性：式中，n—传感器系统固有角频率，； —被测振动角频率；——传感器的阻尼比，； m—惯性体质量；k—弹簧的弹性系数；c—传感器系统的阻尼。

6.3 磁电式传感器的应用 磁电式速度传感器的频率响应特性如图6-7所示。图6-7 磁电式速度传感器的频率响应特性当n，A()=1，() 180º； =0.5~0.7时，A()趋于恒值1，V(t)≈V0(t)，其输出： e=NB0l0V(t) ≈NB0l0V0(t)—测振动速度。实际使用时，>(7～8)n，故其n较低。若在测量电路中，接入积分电路，则可测位移；接入微分电路，则可测加速度。

6.3 磁电式传感器的应用 石油地震检波器

6.3 磁电式传感器的应用 振动监测

6.3 磁电式传感器的应用 6.3.2 磁电式扭矩传感器扭角与扭矩关系：则式中，G——剪切弹性模量（N/m2）；IP—惯性矩（m4）；l—被测转轴长度（m ）；k=GIP/l—由材料性质、形状等因素决定的常数。

6.3 磁电式传感器的应用 • 结构和原理：定子(永久磁铁)，固定在传感器外壳上；转子固定在传感器轴上。定子和转子均有一一对应的齿和槽，安装在轴两端，安装时，一端齿对齿，一端槽对齿。如图6-5所示。图6-5 磁电式扭矩传感器结构示意图

1 2 u 测量仪表 wt 6.3 磁电式传感器的应用

6.3 磁电式传感器的应用 • 转轴无负载（无扭矩）以ω旋转时，两端输出等幅、同频、相差180°的两近似正弦波感应电动势；当有负载（有扭矩）时，两感应输出产生附加相差0＝n，可见测出附加相差0便可测出扭角＝0 / n，从而测出扭矩 Mk。(n为转子、定子的齿数） • 还可同时从一端输出信号的频率测出转轴的速度。

6.3 磁电式传感器的应用 6.3.3 磁电式转速传感器定子、转子相对转动时，由于槽、齿相对位置交替变化，则磁通周期变化，从而在线圈中产生近似周期性正弦信号输出，其频率与转速成正比。如图6-6 所示。图6-6 磁电式转速传感器还可采用图6-2（a）所示结构测转速。

第6章磁电式传感器 作业： 6-1，6-5，6-6，6-7 思考: 6-8

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