傳感器技術(shù)基礎(chǔ)：05-磁電式傳感器

1、第5章 磁電式傳感器磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性1.2第5章 磁電式傳感器基本原理和結(jié)構(gòu)型式5.15.2磁電式傳感器的應(yīng)用5.44.4第5章 磁電式傳感器 磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。 磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應(yīng)式傳感器， 它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為101000Hz。第一節(jié) 基本原理和結(jié)構(gòu)型式第5章 磁電式傳感器 磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振

2、器等。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當W匝線圈在均恒磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系：(5-1) 根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。圖5.1所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu)。 第5章 磁電式傳感器圖5.1變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型（變磁）； (b)平移型（變氣隙） 第5章 磁電式傳感器 其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動鐵心3(銜鐵)的運動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。 在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，

3、感應(yīng)電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如圖5-2所示。圖5.2 恒磁通式結(jié)構(gòu) (a)動圈式；(b)動鐵式 第5章 磁電式傳感器第5章 磁電式傳感器 圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場中。 當線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為(5-2)式中 B氣隙磁通密度(T)； l氣隙磁場中有效匝數(shù)為W的線圈總長度(m) 為llaW(la為每匝線圈的平均長度) v線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度(ms-1)。第5章 磁電式傳感器 當傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，式

4、(5-2)中B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢e僅與相對速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為 為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B；增加a和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。 為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運動。設(shè)計者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。 (5-3)第5章 磁電式傳感器一.傳遞矩陣.機械阻抗圖5.3(a)所示的質(zhì)量為m、彈簧剛度為k，阻尼系數(shù)為c的單自由度機械振動系統(tǒng)。設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動速度和位移分別為v(圖中即)和x，由此可列出力平衡方程第二

5、節(jié) 磁電式傳感器的傳遞矩陣和動態(tài)特性(5-4) 圖5.3(b)所示的由電阻R、電感L和電容C組成的串聯(lián)電路，設(shè)電源電壓為u，回路電流為i、電荷為q。由此可列出電壓平衡方程 這兩個微分方程式雖然機電內(nèi)容不同，但形式相同。因此，這兩個系統(tǒng)為一對相似系統(tǒng)。一個系統(tǒng)可以根據(jù)求解它的微分方程來討論其動態(tài)特性，故上述兩相似系統(tǒng)的動態(tài)特性必然一致，可以實現(xiàn)機電模擬。 第5章 磁電式傳感器(5-5)圖5.3一對相似系統(tǒng) (a)單自由度機械振動系統(tǒng)；(b)RLC串聯(lián)電路第5章 磁電式傳感器第5章 磁電式傳感器 在電路中存在著電阻抗，它是將電流與電壓聯(lián)系起來的一個參數(shù)，可以設(shè)想，如同電路中的電阻抗一樣，假設(shè)機械系

6、統(tǒng)存在“機械阻抗”ZM。類似于電系統(tǒng)，由式(5-4)可得(5-6) 可見ZM是將機械系統(tǒng) 中某一點上的運動響應(yīng)與引起這個運動的力聯(lián)系起來的一個參數(shù)。由此可得，作簡諧運動的線性機械系統(tǒng)的機械阻抗的定義為機械阻抗ZM(復(fù)數(shù))=激振力(復(fù)數(shù))/運動響應(yīng)(復(fù)數(shù))（5-7）第5章 磁電式傳感器 引用機械阻抗概念來分析機械系統(tǒng)的動態(tài)特性，就可以用簡單的代數(shù)方法求得描述動態(tài)特性的傳遞函數(shù)，而不必求解微分方程。.傳遞矩陣 在圖5.2所示的傳感器中，作用在運動部件（質(zhì)量塊）上的力有： 彈簧力阻尼力慣性力 電磁力第5章 磁電式傳感器 質(zhì)量塊上力的平衡方程式為 當振動體振動速度為v0、質(zhì)量塊速度為Vm 、傳感器殼體

7、與質(zhì)量塊相對運動速度為Vt (Vt= v0 - Vm) 時,由力平衡關(guān)系，機械阻抗定義和(5-6)可得 （5-8）第5章 磁電式傳感器 令 為由被測體的運動速度v0產(chǎn)生的、作用在質(zhì)量塊上的等效激振力。將式(5-6)代入式(5-8)，則有 對磁電式傳感器，其傳感器常數(shù)為 (5-9) 第5章 磁電式傳感器 設(shè)線圈電感為L、內(nèi)電阻為R，則ZeRj。如果傳感器與測量電路的輸入端相連，則電路輸入阻抗即為傳感器負載阻抗Ze0，通常Ze0。由于傳感器作測量用，電氣端電源e，故eiZe0。因此實際磁電式傳感器的傳遞矩陣為(5-10)或?qū)⑵湔归_成第5章 磁電式傳感器(5-11)二.動態(tài)特性 由上(5-11)將

8、, , 及 代入第一式，即可求得傳感器的頻率傳遞函數(shù) 第5章 磁電式傳感器(5-12)由于傳感器的固有角頻率為故式(5-12)可改寫為 第5章 磁電式傳感器(5-13) 上式為復(fù)數(shù)形式，其頻率響應(yīng)特性如圖5.4所示。圖中S為隨頻率而變的傳感器靈敏度。 為傳感器常數(shù)。第5章 磁電式傳感器圖5.4 磁電式傳感器的頻響特性 第5章 磁電式傳感器 傳感器作為電壓輸出時，一般 ，故式(5-13)可簡化為 (5-14)由式(5-14)和圖5.4可以看出： (1).當被測振動體的振動頻率低于傳感器的固有頻率 ，即(/)1時，傳感器的靈敏度隨頻率變化而明顯地變化。第5章 磁電式傳感器 (2).當被測體振動頻率

9、遠高于傳感器的固有頻率時，靈敏度接近為一常數(shù)，它基本上不隨頻率變化。在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動速度成正比。這一頻段即傳感器的工作頻段，或稱作頻響范圍。這時傳感器可看作是一個理想的速度傳感器。 (3).當頻率更高時，由于線圈阻抗的增加，靈敏度也將隨著頻率的增加而下降。 必須指出，以上是對慣性式磁電傳感器而言的。對于動圈與測桿相固連的直接式磁電傳感器，其上限工作頻率取決于傳感器的彈簣剛度k值。一般說來，直接式傳感器頻響范圍可從零到幾百Hz，高至 10kHz。第5章 磁電式傳感器 一.測振傳感器 磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振

10、動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。 常用地測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。第四節(jié) 磁電式傳感器的應(yīng)用第5章 磁電式傳感器(一).測振傳感器的應(yīng)用 航空發(fā)動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監(jiān)測與研究都可使用磁電式傳感器。(二).測振傳感器的工作特性 由圖5.3可知，振動傳感器是典型的集中參數(shù)m、k、c二階系統(tǒng)。作為慣性(絕對)式測振傳感器，要求選擇較大的質(zhì)量塊m和較小的彈簧常數(shù)k。 這樣，在較高振動頻率下，由于質(zhì)量塊大慣性而近似相對大地靜止。這時，振動體(同傳感器殼體)相對質(zhì)量塊的位移y(輸出)就可真實地反映振動體相對大地的振幅x(輸入)。第5章 磁電式傳感器二.磁電式力發(fā)生器與激振器 前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可