第6章磁电式传感器

第六章、磁电式传感器第一节、磁电式传感器的工作原理1）、磁电式传感器由于具有结构简单、工作稳定、输出电压灵敏度高等优点； 2）、磁电式传感器在转速测量、振动、速度测量中得到了广泛的应用。

3）、磁电式传感器的基本工作原理：电磁感应原理；法拉第电磁感应定律:无论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率的负值成正比。

具有N 圈的线圈感应电动势e 为：dt d Ne Φ-= （6-1）式中：φ为线圈的磁通，常用单位为Wb ； N 为线圈匝数。

4）、当线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时则：线圈两端的感应电动势e 为 ：θθsin sin NBlv dtdxNBl e == （6-2）式中：B ：为磁场的磁感应强度，常用单位为T ；x ：为线圈与磁场相对运动的位移； v ：为线圈与磁场相对运动的速度；θ：为线圈运动方向与磁场方向的夹角； N ：为线圈的有效匣数；l ：为每匣线圈的平均长度。

当θ=90时；式(6-2)可写成 ：e = N B l v （6-3）；5）、若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线时；则线圈两端的感应电动势e 为 ：θθθsin sin NBA dtd NBae == （6-4）式中：ω：为旋转运动角速度；A ：为线圈的截面权；θ：为线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角。

Φ-+ueivBleθωθsin BlvN e =θωsin BA e =当θ=90时，式(6-4)可写成 ：e = N B A ω (6-5)当N 、B 、A 、l 为定值时，感应电动势e 与线圈和磁场的相对运动速度v (或ω)成正比。

由于速度和位移、加速度之间是积分、微分的关系，因此只要适当加入积分、微分电路，便能通过测量感应电动势得到位移和加速度。

第二节、磁电式传感器的结构与应用如前所述，可以用改变磁通方法或用线圈切割磁力线方法产生感应电动势；所以磁电式传感器可以分为：变磁通式、恒磁通式两种类型。

一、变磁通式磁电传感器1）、在这类磁电式传感器中，产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，而是通过磁通的变化产生感应电动势。

2）、磁电式转速传感器：①、磁电式转速传感器的结构；见图6-1。

1传感齿轮、2感应线圈、3软铁板靴、 4永久磁铁图6-1、永磁型磁电式转速传感器的基本结构磁电式转速传感器主要由两部分组成。

第一部分是：固定部分，包括磁铁、感应线圈、用软铁制成的极靴(又称极掌)。

第二部分是：可动部分，主要是传感齿轮，它由铁磁材料制成，安装在被测轴上，随轴转动。

②、磁电式转速传感器的工作原理：当被测轴以一定的角速度旋转时，带动传感齿轮一起转动。

齿轮的齿顶和齿谷交替经过极靴。

由于极靴与齿轮之间的气隙交替变化，引起磁场中磁路磁阻的改变，使得通过线圈的磁通也交替变化，从而导致线圈两端产生感应电动势。

传感齿轮每转过一个齿，感应电动势对应经历一个周期T 。

若齿轮齿数为z ，转速为n(r/min) 。

则有：)()(60)min (1r zn s r zn T == (6-6)式中：T 为感应电动势周期，单位为s ；式(6-6)表示：传感齿轮每转过一个齿，对应所用时间。

即传感齿轮每转过一个齿对应经历一个周期T 。

或60zn f =(6-7)f 为感应电动势频率，单位为Hz 。

式(6-7)表明：传感器输出电动势的频率与被测转速成正比。

只要将该电动势放大整形成矩形披信号，送到计数器或频率计中，即可由频率测出转速。

③、根据形成磁场的方式，磁电式转速传感器可以分为永磁型、励磁型两种结构类型。

在图6-1中，传感器的磁场是由永久磁铁产生的，属于永磁型。

励磁型磁电式转速传感器的磁场是由电磁铁产生的，与永磁型相比多了一组励磁线圈，工作时需外加励磁电源。

④、根据极靴的结构形式，又可分为单极型、双极型、齿型三种结构类型。

图6-1中，传感器的极靴只有一个极，结构很简单，属于单极型。

双极型的传感器有两个极靴，分别代表N 极和S 极，与传感齿轮上的两个对应齿形成气隙。

齿型传感器的极靴被制成其齿数与传感齿轮齿数相等的齿座，齿座与齿轮以极小的工作间隙相对安装于同一轴线上。

齿座的齿轮与传感齿轮分别代表磁场的两极。

采用双极型或齿型的极靴能大大提高传感器的电动势灵敏度。

⑤、根据磁路形式，可分为开磁路式和闭磁路式。

⑥、根据安装形式，又可分为分离式和整体式。

下面介绍几种常用的磁电式转速传感器。

⑴、国产SZMB-3型磁电式转速传感器：①、图6-26-2图6-2、SZMB-3型磁电式转速传感器外形图②、使用时，该传感器通过联轴节与被测轴连接，当转轴旋转时将角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表使用。

③、该传感器每转输出60个脉冲，输出信号幅值大于或等于300mV (50r/min 时) ， ④、测速范围为50～5000r/min 。

⑵、SZMB-5型磁电式转速传感器①、SZMB-5型磁电式转速传感器的外形图。

图6-3图6-3、SZMB-5型磁电式转速传感器外形图②、该传感器输出信号的披形为近似正弦波，输出信号幅值大于或等于300mV (50r/min 时, 幅值与SZMB-3型相同)。

③、工作时，信号幅值大小与转速成正比，与铁心和齿顶间隙的大小成反比。

④、被测齿轮的模数m=2，齿数z=60，传感器铁心和被测齿顶间隙δ=0.5mm，测量范围为50～5000r/min。

上述磁电式转速传感器的主要优点是：结构简单、体积小、工作稳定，不受工作环境中的油雾等介质影响，使用寿命长，故在数字式转速测量中得到了广泛的应用。

二、恒磁通式磁电传感器1）、在恒磁通式磁电传感器中，工作气隙中的磁通保持不变，而线圈中的感应电动势是由于工作气隙中的线圈与磁钢之间作相对运动，线圈切割磁力线产生的。

其值与相对运动速度成正比。

这方面较为典型的是磁电式振动传感器，其结构见图6-40。

2）、磁电式振动传感器：①、磁电式振动传感器结构：见图6-40磁电式振动传感器由固定部分、可动部分及弹簧片组成。

固定部分主要是磁钢和壳体，壳体由软磁材料制成，与磁钢固定在一起。

可动部分包括线圈、芯轴及阻尼环。

线圈和阻尼环分别固定在芯轴的两端，它们是传感器的惯性元件。

芯轴上下都有拱型弹簧片支承，弹簧片与壳体相连。

1输出线、2弹簧片、3线圈、4芯轴、5磁钢、6阻尼环、7壳体图6-4磁电式振动传感器的基本结构②、工作原理：工作时传感器被紧固在振动体上，其外壳及磁刚随振动体一齐振动。

这时，位于气隙间的线圈就与磁钢作相对运动而切割磁力线，线圈两端就产生了正比于振动速度的电动势，该电动势经输出处理后即可显示振动速度。

阻尼环用纯铜制成，通过芯轴安装在线圈的对面，选择合适的几何尺寸可以使得无量纲衰减系数ζ=0.7，用以改善传感器低频范围的幅频特性。

实际上，阻尼环就是一个在磁场里运动的短路环，工作时此短路环感生电流并随同阻尼环在磁场中运动，从而产生与可动部分运动方向相反的阻力。

③、磁电式振动传感器的优点是：工作时产生的感应电动势大，输出阻抗低。

能提供较大的测量功率，不需要前置放大器。

④、运动，从而产生与可动部分运动方向相反的阻力。

③、磁电式振动传感器的缺点是：在高频振动时输出信号小，所以一般只用于低于500Hz的振动测量和具有长时间间隔的冲击测量。

⑤、磁电式振动传感器的主要技术指标如下： 灵敏度：60.4V .m-1s ； 线圈电阻：1. 9k Ω；工作频率范围： 10～500Hz ； 最大可测加速度：5g ；最大可测位移：1mm (单峰值)。

思考题与习题1、说明磁电式传感器的基本工作原理。

2、试通过转速测量系统的实例说明磁电式转速传感器的应用。

3、磁电式振动传属糯与磁电式转速传感器在工作原理上有什么区别?4、采用52MB-3型磁电式传感器测量转速，当传感糠输出频率为1kHz 的正弦波信号时，被测轴的转速是多少?5、磁电式传感器能否检测表面粗糙度?试绘出其原理图。

例1、如图1.63所示为电磁阻尼器示意图。

设工作气隙中磁感应强度为B ，金属骨架的平均直径为D ，厚度为t ，电阻率为ρ。

当它以速度v 在工作气隙中垂直于磁场方向运动时，对于理想的粘性阻尼(阻尼力与速度v 成正比)，忽略漏磁和杂散磁场，试证明其电磁阻尼系数为：ρπtld DB c 2=。

图1. 63电磁阻尼器示意图证明：当骨架以速度v 在环形工作气隙中垂直于磁场方向运动时，在骨架中产生的感应电势的大小为： Dv B Blv e π==式中：D l π=为骨架的平均周长。

处于工作气隙中的骨架段的电阻R 由电阻定律得到，为:dtl DR πρ=式中:d l 为工作气隙长度。

所以骨架中产生的感应电流为:ρdBvtl R e i ==而载流导体在磁场中运动所受到的磁场力为: v tl DB Bvtl D B Bli F dd ρπρπ2=== 所以电磁阻尼系数为: ρπdtl DB v F c 2== 命题得证。

例2、基于磁电感应原理的流量计原理如图1.64所示，试推导其输出输入关系。

设绝缘导管内径为D ，被测流体是导电的。

图1.64磁电感应式流量计原理图解：由于导管是绝缘的，当导电的流体在其中流动时，两电极之间的流体可以看作是一段长度 为导管内径D 的导体。

设管道中流体的流速分布均匀，各处的流速皆为v ，两磁铁之间的磁场分布也均匀，各处的 磁感应强度皆为B ，则这一段导体产生的感应电势的大小为: BDv e =此感应电势被差动放大后的输出电压为输出: kBDv ke u == 式中:k 为差动放大器的放大倍数。

管道中流体的流量为：v D Q 42π=所以流量计的输出输人关系为：Q D kBDQ kBD kBDv u ππ442===例3、某磁电感应式速度传感器总刚度为3200N/m ，测得其固有频率为20Hz ，今欲将其固有频10Hz ，问刚度应为多大?解：磁电感应式速度传感器总刚度k 、质量m 及固有角频率ω0之间的关系为：20ωm k =由此可得不同固有角频率之下的总刚度比值为：20220120220121ωωωω==m m k k由于角频率正比于频率，所以: m N f f k k k /80010103200)(3220201220220121====ωω 例8、试分析图1. 67所示之磁电式转速传感器的输出电动势及波形。

图1.67磁电式转速传感器解、为了分析方便，假设齿和槽所对应的圆心角相等，并忽略除空气隙以外的所有磁阻，因为它们的磁阻比 空气隙的磁阻小得多。

(1)、设t = 0时刻，定子磁极与齿轮的槽正好相对，如图1. 68(a)中实线所示。

从t = 0到t=T/2(T 为齿轮变化一个齿或一个槽所需的时间)的过程中，齿轮共转过与一个槽所对应的角度。

在这期间某一瞬时定子磁极的位置，如图1. 68(a)中虚线所示(为了绘图方便，让定子磁极转动了?个角度)。