第7章 磁敏式传感器（课件）- 《传感器检测技术》同步教学（机工版）

传感器与检测技术 第七章　 磁敏式传感器 磁电式传感器概述 磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是利用电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种传感器。 特点： 不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。 输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）。 用途： 振动、位移、转速等物理量测量 7.1.1 电磁感应 7.1 磁电传感器工作原理 根据法拉第电磁感应定律，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的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即 若线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势 若线圈以角速度旋转时，感应电动势 7.1 磁电传感器工作原理 （1）恒磁通式传感器 7.1 磁电传感器工作原理 工作原理： 　　磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图（a））和动铁式（图 (b)）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线， 从而产生感应电势。 7.1 磁电传感器工作原理 （2）变磁通式磁电传感器 变磁通式磁电传感器结构图 (a) 开磁路； (b) 闭磁路 7.1 磁电传感器工作原理 图（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。 7.1 磁电传感器工作原理 图 (b)为闭磁路变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。 7.1 磁电传感器工作原理 7.1.2 基本特性 当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电流Io为 式中： Rf——测量电路输入电阻；  R——线圈等效电阻。 传感器的电流灵敏度为 = = 7.1 磁电传感器工作原理 而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 　　B值大，灵敏度也大，因此要选用B值大的永磁材料；线圈的平均长度大也有助于提高灵敏度，但这是有条件的，要考虑两种情况： （1）线圈电阻与指示器电阻匹配问题 　　如图7.3所示，因传感器相当于一个电压源，为使指示器从传感器获得最大功率，必须使线圈的电阻等于指示器的电阻。 （2） 线圈的发热问题 　　传感器线圈产生感应电动势，接上负载后，线圈中有电流流过而发热。 7.1 磁电传感器工作原理 一、测量误差 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为： 测量误差主要由非线性误差和温度误差组成。 7.1 磁电传感器工作原理 （1）非线性误差 主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。 这种影响分为两种情况 ： ① 附加磁场方向与原磁场相同：增大灵敏度 ② 附加磁场方向与原磁场相反：减小灵敏度 解决方法：增加补偿线圈，抵消附加磁通的影响 7.1 磁电传感器工作原理 （2）温度误差 　　温度误差补偿办法：在结构允许的情况下，在传感器的磁铁下设置热磁分路，进行温度补偿。 热磁分路：负温度系数，温度升高导磁率下降 7.1 磁电传感器工作原理 二、动态特性 当被测物振动频率低于传感器的固有频率时，传感器的灵敏度是随振动频率的升高而明显增加的； 当振动频率远大于传感器固有频率时，传感器的灵敏度接近为一个常数，它基本上不随频率变化，即在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比关系，这一频段就是传感器的理想工作频段；