第7章磁電式1磁電式傳感器

1、再見(jiàn) 第第7 7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器 7.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 7.2霍爾式傳感器霍爾式傳感器 7.1 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 又稱(chēng)磁電式傳感器又稱(chēng)磁電式傳感器, 利用利用電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理將將被測(cè)量被測(cè)量（如振（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào)。 磁電式傳感器磁電式傳感器不需要輔助電源不需要輔助電源就能就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量易于測(cè)量的的電信號(hào)電信號(hào), 有源有源傳感器。傳感器。 輸出功率大，輸出功率大， 性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定, 具有一定的工作帶寬（具有

2、一定的工作帶寬（101000 Hz）, 普遍應(yīng)用。普遍應(yīng)用。 7.1.1 磁電感應(yīng)式傳感器工作原理磁電感應(yīng)式傳感器工作原理 wddte ddxBlBlvdtdte 磁電式傳感器的分類(lèi)：磁電式傳感器的分類(lèi)： 變變磁通式磁通式 恒恒磁通式。磁通式。 圖圖7 - 1是變磁通式磁電傳感器是變磁通式磁電傳感器, 用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度角速度。 圖7-1 變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖(a) 開(kāi)磁路； (b) 閉磁路 開(kāi)磁路 開(kāi)磁路變磁通式：開(kāi)磁路變磁通式： 線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，線圈、磁鐵靜止不動(dòng)， 測(cè)量齒輪安裝測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

3、 每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒， 齒的凹凸引起磁路齒的凹凸引起磁路磁阻磁阻變化一次，變化一次，磁通磁通也就變化一次，線也就變化一次，線圈中產(chǎn)生圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)。 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率變化頻率為：為： 被測(cè)被測(cè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上與測(cè)量齒輪上齒數(shù)齒數(shù)的乘積。的乘積。 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 但輸出信號(hào)較小，但輸出信號(hào)較小， 且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。 閉磁路變磁通式傳感器：閉磁路變磁通式傳感器： 由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪

4、齒永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。數(shù)相同。 閉磁路 當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)。輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸而轉(zhuǎn)動(dòng)。 內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻氣隙磁阻產(chǎn)生產(chǎn)生周期性周期性變化，從而引起磁路中變化，從而引起磁路中磁通磁通的變化。的變化。 線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。比。 圖7-2 恒定磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a） 動(dòng)圈式； (b) 動(dòng)鐵式 動(dòng)圈式 動(dòng)鐵式 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁磁路

5、系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙固定不變，氣隙中磁通路中的工作氣隙固定不變，氣隙中磁通恒定不變。恒定不變。 運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），運(yùn)動(dòng)部件可以是線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），工作原理完也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），工作原理完全相同。全相同。 當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。0eB lW V B0工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； l每匝線圈的平均長(zhǎng)度；每匝線圈的平均長(zhǎng)度；W線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)；線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)； v相對(duì)運(yùn)動(dòng)速

6、度。相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 7.1.2 磁電感應(yīng)式傳感器基本特性磁電感應(yīng)式傳感器基本特性 當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，當(dāng)測(cè)量電路接入磁電傳感器電路時(shí)，如圖如圖7-3所示。所示。ER傳感器IoRf 磁電式傳感器測(cè)量電路Rf 測(cè)量電路輸入電阻；測(cè)量電路輸入電阻； R線圈等效電阻，線圈等效電阻，Io 為為 磁電傳感器的輸出電流。磁電傳感器的輸出電流。 ooffB lWvEIRRRR 傳感器的電流靈敏度為傳感器的電流靈敏度為 ooIfIB lWSvRR 傳感器的輸出電壓：傳感器的輸出電壓： ofooffB lW vRUI RRR 輸出電壓靈敏度為輸出電壓靈敏度為 ofoUfB lW RUSvRR 當(dāng)傳感器

7、的工作溫度發(fā)生變化或受當(dāng)傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊到外界磁場(chǎng)干擾、受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)時(shí)，其靈敏度將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。量誤差。 其其相對(duì)誤差相對(duì)誤差為為IIdSdBdldRSBlR 1. 非線性非線性誤差誤差 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因：要原因： 傳感器線圈內(nèi)有電流傳感器線圈內(nèi)有電流 I 流過(guò)時(shí)，將流過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生一定的交變磁通產(chǎn)生一定的交變磁通I ， 此交變磁通此交變磁通疊加疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化

8、, 如圖如圖7-4所示。所示。 傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng) NSv 當(dāng)傳感器線圈運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)當(dāng)傳感器線圈運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢(shì)生較大的感應(yīng)電勢(shì) e 和較大的電流和較大的電流 I 。 由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工由此而產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與原工作磁場(chǎng)方向相反，作磁場(chǎng)方向相反，減弱了工作磁場(chǎng)減弱了工作磁場(chǎng)的作的作用，從而使得傳感器的用，從而使得傳感器的靈敏度靈敏度隨著被測(cè)隨著被測(cè)速度的增大而速度的增大而降低降低。 ooIfIB lWSvRRofoUfB lW RUSvRR 當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖當(dāng)線圈的運(yùn)動(dòng)速度與圖7-4所示方所示方向相反時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)向相反時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)e、線圈感應(yīng)電流

9、、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與工作磁反向，所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與工作磁場(chǎng)同向，從而場(chǎng)同向，從而增大增大了傳感器的了傳感器的靈敏度靈敏度。 ooIfIB lWSvRRofoUfB lW RUSvRR 傳感器電流的磁場(chǎng)效應(yīng) NSv 結(jié)論：結(jié)論： 線圈運(yùn)動(dòng)速度線圈運(yùn)動(dòng)速度方向不同方向不同，傳感器的，傳感器的靈敏度靈敏度就具有不同的數(shù)值，就具有不同的數(shù)值， 導(dǎo)致傳感器輸出導(dǎo)致傳感器輸出基波基波能量降低，能量降低，諧諧波波能量增加。能量增加。 即這種非線性同時(shí)伴隨著傳感器輸即這種非線性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的諧波失真。出的諧波失真。 顯然，傳感器靈敏度越高，線圈中顯然，傳感器靈敏度越高，線圈中

10、電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。 為補(bǔ)償上述附加磁場(chǎng)干擾，可在傳為補(bǔ)償上述附加磁場(chǎng)干擾，可在傳感器中加入感器中加入補(bǔ)償線圈補(bǔ)償線圈。 補(bǔ)償線圈通以放大補(bǔ)償線圈通以放大 K 倍的電流。倍的電流。 適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù)，可使其產(chǎn)適當(dāng)選擇補(bǔ)償線圈參數(shù)，可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通交變磁通相互抵消相互抵消， 從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?2. 溫度誤差溫度誤差 IIdSdBdldRSBlR 當(dāng)溫度變化時(shí)，上式右邊三項(xiàng)都不當(dāng)溫度變化時(shí)，上式右邊三項(xiàng)都不為零。為零。 對(duì)對(duì)銅線銅線而言每攝氏度變化量為：而言每攝氏度變

11、化量為： dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2， dB/B每攝氏度的變化量決定于永每攝氏度的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。久磁鐵的磁性材料。 對(duì)對(duì)鋁鎳鈷鋁鎳鈷永久磁合金，永久磁合金， dB/B0.0210-2， 近似值如下：近似值如下： 4.5%10tC 這一數(shù)值很可觀，這一數(shù)值很可觀， 需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 通常采用通常采用熱磁分流器熱磁分流器。 熱磁分流器由具有很大熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)的的特殊磁性材料特殊磁性材料做成。做成。 熱磁分流器在正常工作溫度下已將熱磁分流器在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分路掉一小部分。空氣隙磁通分路掉一小部分

12、。 當(dāng)溫度升高時(shí)，當(dāng)溫度升高時(shí)， 熱磁分流器的磁導(dǎo)熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁率顯著下降，經(jīng)它分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低；通的比例較正常工作溫度下顯著降低； 從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 作業(yè)作業(yè) p.120 71 72 71 簡(jiǎn)述變磁通式和恒磁通式磁電傳簡(jiǎn)述變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理。感器的工作原理。72 磁電式傳感器的誤差及其補(bǔ)償方磁電式傳感器的誤差及其補(bǔ)償方法是什么法是什么? 7.1.3 磁電感應(yīng)式傳感器的測(cè)量電路 圖7-5 磁電式傳感

13、器測(cè)量電路方框圖 磁電式傳感器量程選擇前置放大積分電路微分電路主放大器顯示或記錄SW 7.1.4 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用 1. 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器 圖圖7-6 是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器的是動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)構(gòu)示意圖。圖7-6 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器 其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是，鋼制圓形外殼，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是，鋼制圓形外殼，里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，固定成一體， 永久磁鐵中間有一小孔，穿過(guò)小孔永久磁鐵中間有一小孔，穿過(guò)小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過(guò)

14、圓形膜片支撐架空且與外殼相連。端通過(guò)圓形膜片支撐架空且與外殼相連。 工作時(shí)，傳感器與被測(cè)物體剛性連工作時(shí)，傳感器與被測(cè)物體剛性連接，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，接，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)， 傳感器外殼和永傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，而架空的芯軸、線圈久磁鐵隨之振動(dòng)，而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。 因而，磁路空氣隙中的線圈切割磁因而，磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈的輸出通過(guò)引線輸出到測(cè)量電勢(shì)，線圈的輸出通過(guò)引線輸出到測(cè)量電路。路。 該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)，該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)，若在測(cè)量電路中

15、接入積分電路，則輸若在測(cè)量電路中接入積分電路，則輸出電勢(shì)與位移成正比；出電勢(shì)與位移成正比； 若在測(cè)量電路中接入微分電路，若在測(cè)量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。則其輸出與加速度成正比。 2. 磁電式扭矩傳感器磁電式扭矩傳感器 圖圖7-7是磁電式扭矩傳感器的工作是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。原理圖。 在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤(pán)。側(cè)安裝有齒形圓盤(pán)。測(cè) 量 儀 表21齒 形 圓 盤(pán)扭 轉(zhuǎn) 軸磁 電 傳 感 器磁 電 傳 感 器u1u2uu1u2t圖圖7-7 磁電式扭矩傳感器工作原理圖磁電式扭矩傳感器工作原理圖 它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個(gè)磁電

16、傳感它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個(gè)磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7-8所示。所示。 傳感器的檢測(cè)元件部分由永久磁鐵、傳感器的檢測(cè)元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。感應(yīng)線圈和鐵芯組成。 永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤(pán)永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤(pán)交鏈。交鏈。圖7-8 磁電式傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)齒形圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤(pán)齒凸凹當(dāng)齒形圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓盤(pán)齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓，發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓， 其頻率在數(shù)值上等于圓盤(pán)上齒數(shù)與轉(zhuǎn)其頻率在數(shù)值上等于圓盤(pán)上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。數(shù)的乘積。 當(dāng)扭矩作用在扭

17、轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時(shí)，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓電傳感器輸出的感應(yīng)電壓u1和和u2存在相存在相位差。位差。 這個(gè)相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正這個(gè)相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。比。 這樣，傳感器就可以把扭矩引起的這樣，傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號(hào)。 再見(jiàn)再見(jiàn) 作業(yè)作業(yè) p.120 71 72 71 簡(jiǎn)述變磁通式和恒磁通式磁電傳簡(jiǎn)述變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理。感器的工作原理。72 磁電式傳感器的誤差及其補(bǔ)償方磁電式傳感器的誤差及其補(bǔ)償方法是什么法是什么? 附：磁軛附：磁軛 磁軛本身不生產(chǎn)磁場(chǎng)，在磁路中只磁軛本身不生產(chǎn)磁場(chǎng)，在磁路中只起磁力線傳輸作用，它是軟磁材料。起磁力線傳輸作用，它