傳感器原理磁電式傳感器1第一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六§7.1概述基本原理：利用電磁感應(yīng)原理，將輸入(運(yùn)動(dòng)速度)轉(zhuǎn)換成線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。特點(diǎn)：有源傳感器：不需要提供電源;具有雙向轉(zhuǎn)換特性;具有較大的輸出功率;只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。2第二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六工作原理由電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為φ，則線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為：3第三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線，感生電勢(shì)為：B：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；l:每匝線圈的有效長(zhǎng)度θ：運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；v:線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s線圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并切割磁力線，感生電勢(shì)為：S：每匝線圈的圍成的面積θ：線圈平面法線方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；ω:線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度4第四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六兩種基本類(lèi)型恒定磁通式：工作氣隙中磁通不變，線圈中的感應(yīng)電勢(shì)由線圈相對(duì)永久磁鐵運(yùn)動(dòng)并切割磁力線產(chǎn)生。變磁通式：磁鐵、線圈均不動(dòng)，感應(yīng)電勢(shì)由變化的磁通產(chǎn)生，如圖示轉(zhuǎn)速測(cè)量：1一永久磁鐵2一軟磁鐵3一感應(yīng)線圈4一測(cè)量齒輪5第五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六6第六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六被測(cè)物SN§7.2磁電式振動(dòng)傳感器一、工作原理與動(dòng)態(tài)特性殼體線圈永久磁鐵彈簧7第七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器演示振動(dòng)非常緩慢時(shí)：磁鐵隨殼體運(yùn)動(dòng)；快速振動(dòng)時(shí)：磁鐵相對(duì)殼體運(yùn)動(dòng)幅度加大，相位相反。8第八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六動(dòng)圈式傳感器用于振動(dòng)測(cè)試9第九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六構(gòu)成永久磁鐵:產(chǎn)生磁場(chǎng)線圈：感生出電動(dòng)勢(shì)彈簧：彈性恢復(fù)阻尼器電磁阻尼：線圈金屬骨架在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而受到反方向的作用力?？諝庾枘幔簹んw:提供閉合磁路、磁屏蔽mckx0xm動(dòng)態(tài)特性分析—二階系統(tǒng)表示10第十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六注意：位移符號(hào)與書(shū)上不同！11第十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六設(shè)：x0---振動(dòng)體的絕對(duì)位移；xm---質(zhì)量塊的絕對(duì)位移運(yùn)動(dòng)正方向向上，所有力（包括慣性力）假設(shè)正方向向上，根據(jù)力平衡原理，有：12第十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六13第十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六若振動(dòng)體作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，將D=j代入：振幅比：14第十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六頻率特性：當(dāng)＝0時(shí)：當(dāng)＝0時(shí)：當(dāng)>>0時(shí)：15第十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六16第十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六質(zhì)量體受力（力傳感器）17第十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六基座受力（運(yùn)動(dòng)傳感器）18第十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六測(cè)力傳感器00.11.04.01.00.12.0＝10520.70.50.2測(cè)振動(dòng)19第十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六討論當(dāng)>>

0（>3

0)時(shí)，xt/x01xtx0,m近似看作靜止不動(dòng)φ=-1800關(guān)于工作頻段：阻尼比的影響：增大（0.7左右），可以減小共振峰，改善低頻響應(yīng)。固有頻率

0的影響：降低

0，擴(kuò)大低頻段。理想情況，當(dāng)>>

0線圈中的感應(yīng)電勢(shì)：e=WBlv靈敏度：s=WBl20第二十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六例題1：設(shè)計(jì)一個(gè)磁電式振動(dòng)速度傳感器，要求振動(dòng)頻率為50Hz時(shí)，最大振幅誤差不超過(guò)5％，

＝0.6，求傳感器的固有頻率及輸出的相位。解：當(dāng)>>0時(shí)，<0.707,會(huì)出現(xiàn)共振峰。21第二十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六解續(xù)：無(wú)解。0.951.051xt/x0f/f022第二十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六解續(xù)：解得：23第二十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六振動(dòng)速度輸出電壓vAvBvC工作范圍實(shí)際特性理想特性速度太低（小于vA),慣性力不足以克服摩擦力速度太高（大于Vc),慣性太大，超出彈簧彈性范圍實(shí)際輸出特性振動(dòng)速度：24第二十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)動(dòng)鐵式：線圈組件與傳感器殼體固定，永久磁鐵用柔軟的彈簧支撐，又稱(chēng)慣性式。動(dòng)圈式：永久磁鐵與傳感器殼體固定，線圈組件用柔軟的彈簧支撐。與動(dòng)鐵式相比，慣性質(zhì)量小，增加阻尼比。直接式殼體固定于慣性系統(tǒng)部件，其頂桿與另一部件表面接觸。25第二十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六某型動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)26第二十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六

屬于慣性式傳感器。是利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電信號(hào)。它主要由磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼等部分組成。將傳感器安裝在機(jī)器上，在機(jī)器振動(dòng)時(shí)，在傳感器工作頻率范圍內(nèi)，線圈與磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)、切割磁力線，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓值正比于振動(dòng)速度值。與二次儀表相配接，即可顯示振動(dòng)速度或位移量的大小。也可以輸送到其它二次儀表或交流電壓表進(jìn)行測(cè)量。實(shí)物：振動(dòng)速度傳感器27第二十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六動(dòng)圈式NS永久磁鐵線圈彈簧28第二十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六動(dòng)圈式演示29第二十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六動(dòng)圈式振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)彈簧片阻尼杯磁鋼芯軸殼體線圈引線30第三十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六1—彈簧

;2—?dú)んw;

3—阻尼環(huán);4—磁鋼;5—線圈;6—芯軸在測(cè)振時(shí)，傳感器固定或緊壓于被測(cè)物體，磁鋼4與殼體2一起隨被測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)而振動(dòng)。裝在芯軸6上的線圈5和阻尼環(huán)3組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊并在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。動(dòng)圈式傳感器結(jié)構(gòu)：31第三十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六1—頂桿

2—彈簧片

3—磁鋼

4—線圈

5—引出線

6—?dú)んw用途：用來(lái)測(cè)量振動(dòng)系統(tǒng)中兩部件之間的相對(duì)振動(dòng)速度。直接式振動(dòng)傳感器連接方式：殼體固定于一部件上，線圈與頂桿相對(duì)固定，而頂桿與另一部件相接觸，依靠彈簧片回復(fù)原位。當(dāng)兩部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使線圈與磁鋼產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。32第三十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六§7.3設(shè)計(jì)基礎(chǔ)磁電傳感器的基本組成磁鐵設(shè)計(jì)材料（永磁合金）尺寸工作點(diǎn)磁路系統(tǒng)線圈永久磁鐵導(dǎo)磁殼體彈簧阻尼器33第三十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六一、材料選擇低剩磁Br、高矯頑力Hc材料：鎳鉻合金、鐵氧體，適用于磁路短、工作氣隙大的情況，能得到較大的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，傳感器磁場(chǎng)穩(wěn)定。高剩磁Br、低矯頑力Hc材料：鎳鋼、鈷鋼、鉻鋼，適用于磁路長(zhǎng)、工作氣隙小的情況，能得到較大的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)，傳感器磁場(chǎng)不穩(wěn)定。34第三十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六二、磁路計(jì)算矯頑力Hc：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br：最大磁能積(BH)m：HBBrHc35第三十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六永久磁鐵的工作點(diǎn)HB0ABDO’確定原則：使永久磁鐵盡可能工作在最大磁能積上，此時(shí)磁鐵體積最小。磁導(dǎo)線36第三十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六永久磁鐵的尺寸由工作點(diǎn)D（B、H）值計(jì)算磁鐵尺寸：由磁通連續(xù)性定理：SNδ磁路基爾霍夫第一定律：37第三十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六永久磁鐵的尺寸磁路工作點(diǎn)的正切角為：在確定好磁鐵的截面積后，可以確定磁鐵的長(zhǎng)度。38第三十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六永久磁鐵的尺寸磁鐵的體積：39第三十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六工作氣隙設(shè)計(jì)1）保證線圈窗口面積容納足夠的線圈匝數(shù)；2）保證均勻而較強(qiáng)的氣隙磁場(chǎng)；3）氣隙深度lg大于4倍的氣隙寬度δ。Bδlg40第四十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六三、線圈組件（骨架、線圈繞組）設(shè)計(jì)保證線圈在氣隙中活動(dòng)自如，有：lg：氣隙深度；lp：振動(dòng)位移的峰峰值。LD1D2D3th線圈骨架41第四十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六線圈組件（骨架、線圈繞組）設(shè)計(jì)f1：有效利用系數(shù)，f1=0.95；dw：帶絕緣層導(dǎo)線直徑；h：線圈厚度；f2：填充系數(shù)(>1)；LD1D2D3th42第四十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六§7.4參數(shù)設(shè)計(jì)一、固有頻率的確定43第四十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六Conclusions：1）為了保證精度，要求：/

0>32）為了改善低頻響應(yīng)性能，可以采取的措施：K↓、m↑→

0↓注意：K↓→靜撓度↑,m↑→傳感器變重3）根據(jù)最大容許幅值誤差來(lái)確定彈簧剛度；4）合理選擇固有頻率。44第四十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六彈簧剛度計(jì)算兩彈簧選擇原則：使質(zhì)量塊處于中間位置。彈簧剛度：垂直放置：下面剛度的大，上面的小。45第四十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六阻尼系數(shù)計(jì)算電磁阻尼（金屬骨架為阻尼器）：金屬骨架在磁場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)并切割磁力線時(shí)，感生渦流并受到磁場(chǎng)力的作用，力的方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。46第四十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六阻尼器阻尼器的作用：衰減自由振動(dòng)，降低共振峰，改善頻率響應(yīng)特性，提高測(cè)試精度。阻尼系數(shù)與阻尼比的關(guān)系為：理想的阻尼比為：47第四十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六阻尼器阻尼器電磁阻尼器空氣阻尼器金屬杯阻尼器Dcp:金屬杯平均直徑；lg:氣隙深度；t:金屬杯的壁厚；:金屬材料的電阻率。48第四十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六空氣阻尼器（在杯底開(kāi)空調(diào)節(jié)阻尼）49第四十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六§7.5應(yīng)用磁電式振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)：1）輸出阻抗小；2）對(duì)絕緣、放大器的要求不高；3）信號(hào)強(qiáng)，噪聲干擾可忽略；4）體積、重量大，有磨損；5）工作溫度不高（<120°C)；6）頻率響應(yīng)不高(10~2000Hz)。（以上相對(duì)壓電式而言）50第五十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六監(jiān)測(cè)振動(dòng)51第五十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六飛機(jī)地面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理方框圖52第五十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六飛機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析53第五十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六逆向應(yīng)用---電動(dòng)激振器54第五十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六轉(zhuǎn)速測(cè)量55第五十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪（導(dǎo)磁體）旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過(guò)永久磁鐵兩磁極間的間隙，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成比例的交流電壓信號(hào)u0。由于感應(yīng)電壓與磁通φ的變化率成比例，即

(W是線圈匝數(shù)）故隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電壓幅值會(huì)減小到無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的程度。故這種傳感器不適合于低速測(cè)量。為提高低轉(zhuǎn)速的測(cè)量效果，可采用電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器。56第五十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六扭矩測(cè)量12測(cè)量?jī)x表ut57第五十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六如圖(

磁電感應(yīng)式扭矩傳感器)所示，在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪1和2，它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測(cè)頭3和4對(duì)著齒頂安裝。當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號(hào)相同，相位差為零。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的增加而加大，其大小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。58第五十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六本章要點(diǎn)1）磁電式傳感器（振動(dòng)傳感器）的工作原理2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成：永久磁鐵、線圈、彈簧、阻尼器（電磁阻尼：金屬骨架在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生、空氣阻尼）、殼體結(jié)構(gòu)形式：動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式3）二階系統(tǒng)表示：4）典型應(yīng)用：振動(dòng)監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)速、扭距測(cè)量59第五十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六作業(yè)：7－3，7－560第六十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六用導(dǎo)磁材料制成的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁阻式轉(zhuǎn)速傳感