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第五章磁电式传感器第一节磁电感应式传感器磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动式传感器。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，电路简洁，性能稳定，输出阻抗小，又具有肯定的频率响应范围一般为101000Hz，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。一、类型及其工作原理磁电感应式传感器是以电磁感应原理为根底的。依据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的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，即依据这个原理，可将磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。一恒定磁通式如图5-1所示，恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁磁钢4、线圈3、弹簧2、金属骨架1、和壳体5等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。一恒定磁通式它们的运动部件可以是线圈也可以是磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种构造类型。在动圈式见图5-1a中，永久磁铁4与传感器壳体5固定，线圈3和金属骨架1合称线圈组件用松软弹簧2支承。一恒定磁通式在动铁式图5-1b中，线圈组件包括件3和件1与壳体5固定，永久磁铁4用松软弹簧2支承。两者的阻尼都是由金属骨架1和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。这里动圈、动铁都是相对于传感器壳体而言。动圈式和动铁式的工作原理是完全一样的，当壳体5随被测振动体一起振动时，由于弹簧2较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高远高于传感器的固有频率时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧2吸取。永久磁铁4与线圈3之间的相对运动速度接近于振动体的振动速度。磁铁4与线圈3相对运动使线圈3切割磁力线，产生与运动速度v成正比的感应电动势式中B：工作气隙磁感应强度；N0：线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；l：每匝线圈的平均长度。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；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度根本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。不同构造的恒定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。(二)变磁通式又称为变磁阻磁电感应式传感器或变气隙磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。它们的构造原理如图5-2所示。图5-2a为开磁路变磁通式，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2导磁材料制成安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。这种传感器构造简洁，但需在被测对象上加装齿轮，使用不便利，且因高速轴上加装齿轮会带来不平衡而不宜测高转速。b为闭磁路变磁通式构造示意图，被测转轴1带动椭圆形测量轮2在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性地变化，因而磁路磁阻也周期性地变化，磁通同样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率f与测量轮2的转速nrmin-1成正比,即f=n/30。在这种构造中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁极掌4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60，其中Z为测量齿轮的齿数。二、设计要点磁电感应式传感器有两个根本元件：一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，为了减小传感器体积，一般承受永久磁铁；另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。因此必需合理地选择它们的构造形式、材料和构造尺寸，以满足传感器的根本性能要求。下面将简述恒定磁通式传感器的设计要点。1.工作气隙工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器灵敏度就高。但气隙大，磁路系统磁感应强度就低，传感器灵敏度也低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出特性非线性。为了使传感器有较高的灵敏度和较好的线性度，必需在保证足够大的窗口面积和所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙d(见图5-1a)。工作气隙宽度ld(见图5-1a)也和传感器的灵敏度、线性度有关。ld越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此一般取d/ld1/4。2.永久磁铁永久磁铁由永磁合金材料制成，是供给工作气隙磁能的能源。不同永磁合金的磁性能各不一样，表征性能的主要参数为矫顽力、剩余磁感应强度和最大磁能积(BH)m，以及去磁曲线B=f1(H)和磁能积曲线(BH)=f2(B)。为了提高传感器的灵敏度，应选用具有较大磁能积的永磁合金。常用的永磁合金有在强磁场中铸造的铝镍钴永磁合金，其剩磁和矫顽力都较大，能在体积、重量较小时得到较高的气隙磁感应强度，其稳定性高，使用最为广泛。3线圈组件线圈组件由线圈和线圈骨架组成。一般线圈骨架由金属，如铜、铝、不锈钢等制成，起电磁阻尼作用。但当传感器精度要求较高时，因电磁阻尼使传感器的非线性增加，所以必需承受其它阻尼器。这时线圈骨架由非金属，如有机玻璃等制成。为减小尺寸，也有不用骨架的。当线圈组件在工作气隙中相对于永久磁铁运动时，要保证两者间没有摩擦。除此之外，还必需保证在测量范围内传感器灵敏度恒定。最终还应核算线圈的温升是否在允许的范围内。应当指出的是,在精度较高的传感器中，线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场的作用称为线圈磁场效应是不能无视的，需承受补偿线圈与工作线圈相串联而加以补偿。当环境温度变化较大时,传感器的温度误差较大，必需加以温度补偿。三、应用一磁电感应式振动速度传感器以CD-1型为例，它是一种确定振动传感器，主要技术规格为：工作频率10500Hz，固有频率12Hz；灵敏度604mVscm-1；最大可测加速度5g；可测振幅范围0.11000m；工作线圈内阻1.9k；精度10；外形尺寸45160mm；质量0.7kg。它属于动圈式恒定磁通型。其构造原理图如图5-3所示，永久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。磁路中有两个环形气隙，右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2。工作线圈和圆环形阻尼器专心轴5连在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。使用时，将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架和壳体一起随被测体振动，由于质量块有肯定的质量，产生惯性力，而弹簧片又特别松软，因此当振动频率远大于传感器固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过引线9接到测量电路。同时良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。二磁电感应式转速传感器图5-4是一种磁电感应式转速传感器的构造原理图。转子2与转轴1固紧。转子2和定子5都用工业纯铁制成，它们和永久磁铁3组成磁路系统。转子2和定子5的环形端面上都均匀地铣了一些齿和槽，两者的齿、槽数对应相等。测量转速时，传感器的转轴1与被测物转轴相连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小，磁路系统的磁通最大。而齿与槽相对时，气隙最大，磁通最小。因此当定子5不动而转子2转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈4中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与转速成正比关系。它属于变磁通式，构造示意图如图5-5所示。转子包括线圈固定在传感器轴上，定子永久磁铁固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和槽。三磁电感应式扭矩仪测量扭矩时，需用两个传感器，将它们的转轴包括线圈和转子分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。安装时，一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传感器的定子槽与其转子齿相对。当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零，假设转轴以肯定角速度旋转，则两个传感器输出相位差为0或180的两个近似正弦波感应电动势。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0。经测量电路，将相位差转换成时间差，就可测出扭矩。磁电感应式传感器除了上述一些应用外，还可构成电磁流量计，用来测量具有肯定电导率的液体流量。其优点为反响快、易于自动化和智能化，但构造较为简单。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。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等局部组成。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，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或沟通电压表进展测量。实例：振动速度传感器应用应用振动监测振动监测飞机振动模态分析飞机振动模态分析转速测量转速测量n n永久磁铁永久磁铁n n线圈线圈n n弹簧弹簧n n阻尼器阻尼器n n电磁阻尼：线圈金属骨架在磁场中运动产生感应电磁阻尼：线圈金属骨架在磁场中运动产生感应出涡流而受到反方向的作用力。出涡流而受到反方向的作用力。n n空气阻尼：空气阻尼：n n壳体壳体:供给闭合磁路、磁屏蔽供给闭合磁路、磁屏蔽构成附录：恒定磁通式磁电式传感器工作特性的理论推导动态特性分析二阶系统表示二阶系统表示mckx0 xm设：x0-振动体确实定位移；xm-质量块确实定位移于是可求出xm与x0的传递函数于是可求xm或xt与x0的振幅比与相位误差其中：x0-振动体确实定位移；xm-质量块确实定位移n n磁感应强度：又称磁通密度，单位体积磁感应强度：又称磁通密度，单位体积/面积里的面积里的磁通量，用于描述磁场的能量的强度的物理量，磁通量，用于描述磁场的能量的强度的物理量，是一个矢量，符号是是一个矢量，符号是B B，单位是特斯拉，单位是特斯拉(T)(T)。n n 磁场强度，是在争论磁介质、推导有磁介质的安磁场强度，是在争论磁介质、推导有磁介质的安培环路定理时引入的帮助物理量，无物理意义，培环路定理时引入的帮助物理量，无物理意义，是一个矢量，符号是是一个矢量，符号是H H，单位是按培，单位是按培/米米(A/m)(A/m)。n nB B与与H H的比值即介质确实定磁导率的比值即介质确实定磁导率。
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