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1、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器傳 感 器機(jī)械工程學(xué)院儀器系李云雷Tel:2786982 辦公室：12#527山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器第五章磁電式傳感器第五章磁電式傳感器定義：定義：通過磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)通過磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。速）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。分類分類：A磁電感應(yīng)式傳感器；磁電感應(yīng)式傳感器；A霍爾式傳感器；霍爾式傳感器；A磁柵式傳感器。磁柵式傳感器。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器簡(jiǎn)稱感應(yīng)式傳感器，也稱為磁電感應(yīng)式傳感器簡(jiǎn)稱感應(yīng)

2、式傳感器，也稱為電電動(dòng)式傳感器動(dòng)式傳感器。它是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的。它是一種而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的。它是一種機(jī)機(jī)-電電能量變換型傳感器能量變換型傳感器。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器一、類型及其工作原理一、類型及其工作原理 此類傳感器基于電磁感應(yīng)原理。此類傳感器基于電磁感應(yīng)原理。N N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線割磁力線或或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e的大小取決于穿過線圈的磁通的大小取決于穿過線圈的磁通的變化率，的變

3、化率，即即 分類：恒定磁通式和變磁通式。（依據(jù)磁場(chǎng)是否恒定）分類：恒定磁通式和變磁通式。（依據(jù)磁場(chǎng)是否恒定）山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器（一）恒定磁通式（一）恒定磁通式1 1、組成：、組成：永久磁鐵（磁鋼）永久磁鐵（磁鋼）4 4、線圈、線圈3 3、金屬骨架、金屬骨架1 1、彈簧、彈簧2 2、殼體殼體5 5。2 2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng)，磁路中的工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。3 3、類型：、類型：動(dòng)圈式：永久磁鐵與殼體固定，線圈和骨架用柔軟彈簧支動(dòng)圈式

4、：永久磁鐵與殼體固定，線圈和骨架用柔軟彈簧支持；持；動(dòng)鐵式：線圈組件和殼體固定，永久磁鐵用柔軟彈簧支承。動(dòng)鐵式：線圈組件和殼體固定，永久磁鐵用柔軟彈簧支承。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器4 4、工作原理：、工作原理：當(dāng)殼體當(dāng)殼體5 5隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧2 2較軟，運(yùn)較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，因此振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)高于傳感動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，因此振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的慣性很大，來不及跟隨振器的固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的慣性很大，來不及跟隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近于靜止不動(dòng)，動(dòng)

5、體一起振動(dòng)，近于靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧振動(dòng)能量幾乎全被彈簧2 2吸收，永久磁鐵吸收，永久磁鐵4 4與線圈與線圈3 3之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體的振動(dòng)速度體的振動(dòng)速度。磁鐵磁鐵4 4與線圈與線圈3 3相對(duì)運(yùn)動(dòng)使線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)使線圈3 3切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度速度v v成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器5 5、討論：、討論：l由上式可知，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，由上式可知，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B B、l l、N N0 0均為定均為定值，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e與線圈相

6、對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度v v成正比。成正比。l振動(dòng)頻率低于故有頻率，靈敏度變化；遠(yuǎn)大于固有頻率，振動(dòng)頻率低于故有頻率，靈敏度變化；遠(yuǎn)大于固有頻率，近似為常數(shù)；更高時(shí)，線圈阻抗增加，靈敏度有所下降。近似為常數(shù)；更高時(shí)，線圈阻抗增加，靈敏度有所下降。l一般頻響范圍：一般頻響范圍：10Hz2kHz。（二）變磁通式（二）變磁通式 又稱為又稱為變磁阻磁電感應(yīng)式傳感器變磁阻磁電感應(yīng)式傳感器，常用來，常用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度角速度。結(jié)構(gòu)原理如下圖。結(jié)構(gòu)原理如下圖。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器1 1、開磁路變磁通式、開磁路變

7、磁通式l工作原理：工作原理：線圈線圈3 3和磁鐵和磁鐵5 5靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪2 2（導(dǎo)磁材（導(dǎo)磁材料制成）安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體料制成）安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1 1上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，它與軟鐵一個(gè)齒，它與軟鐵4 4之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次，磁通之間構(gòu)成的磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，也就變化一次，線圈線圈3 3中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪于測(cè)量齒輪2 2上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。l特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需在被測(cè)對(duì)象上加裝齒輪，使用不方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需在被測(cè)對(duì)象上加裝齒輪，使用

8、不方便，且因高速軸上加裝齒輪會(huì)帶來不平衡而不宜測(cè)高轉(zhuǎn)速。便，且因高速軸上加裝齒輪會(huì)帶來不平衡而不宜測(cè)高轉(zhuǎn)速。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器2 2、閉磁路變磁通式、閉磁路變磁通式l工作原理：工作原理：被測(cè)轉(zhuǎn)軸被測(cè)轉(zhuǎn)軸1 1帶動(dòng)橢圓形測(cè)量輪帶動(dòng)橢圓形測(cè)量輪2 2在磁場(chǎng)氣隙中等在磁場(chǎng)氣隙中等速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)度周期性地變化，因而磁路磁阻也速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣隙平均長(zhǎng)度周期性地變化，因而磁路磁阻也周期性地變化，磁通同樣周期性地變化，則在線圈周期性地變化，磁通同樣周期性地變化，則在線圈3 3中產(chǎn)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率其頻率f f與測(cè)量輪與測(cè)量輪2 2的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速n n（rminrmi

9、n-1-1）成）成正比正比,即即f=n/30f=n/30。l在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪代替橢圓形測(cè)量輪在這種結(jié)構(gòu)中，也可以用齒輪代替橢圓形測(cè)量輪2 2，軟鐵，軟鐵（極掌）（極掌）4 4制成內(nèi)齒輪形式，這時(shí)輸出信號(hào)頻率為制成內(nèi)齒輪形式，這時(shí)輸出信號(hào)頻率為f=nZ/60f=nZ/60，其中，其中Z Z為測(cè)量齒輪的齒數(shù)。為測(cè)量齒輪的齒數(shù)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)：二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)：磁電感應(yīng)式傳感器的兩個(gè)基本元件：磁路系統(tǒng)（永久磁鐵）磁電感應(yīng)式傳感器的兩個(gè)基本元件：磁路系統(tǒng)（永久磁鐵）和線圈。設(shè)計(jì)時(shí)，合理選擇它們的和線圈。設(shè)計(jì)時(shí)，合理選擇它們的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、材料

10、和結(jié)構(gòu)尺寸尺寸來滿足傳感器的基本性能要求。來滿足傳感器的基本性能要求。恒定磁通式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)恒定磁通式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、工作氣隙、工作氣隙工作氣隙大，線圈窗口面積就大，線圈匝數(shù)就多，傳感器工作氣隙大，線圈窗口面積就大，線圈匝數(shù)就多，傳感器靈敏度就高。靈敏度就高。但氣隙大，磁路系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度就低，傳感器靈敏度也低，但氣隙大，磁路系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度就低，傳感器靈敏度也低，而且氣隙大易造成氣隙磁場(chǎng)分布不均勻，導(dǎo)致傳感器輸出而且氣隙大易造成氣隙磁場(chǎng)分布不均勻，導(dǎo)致傳感器輸出特性非線性。特性非線性。設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求：為了使傳感器有較高的靈敏度和較好的線性度，：為了使傳感器有較高的靈敏度和較好的線性度，必須在保證足

11、夠大的窗口面積和所需加工安裝精度的前提必須在保證足夠大的窗口面積和所需加工安裝精度的前提下，盡量減小工作氣隙下，盡量減小工作氣隙d d。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器3、工作原理：、工作原理：將傳感器固定在被測(cè)振動(dòng)體上，永久磁鐵、鋁架和殼體一將傳感器固定在被測(cè)振動(dòng)體上，永久磁鐵、鋁架和殼體一起隨被測(cè)體振動(dòng)，由于質(zhì)量塊有一定的質(zhì)量，產(chǎn)生慣性力，起隨被測(cè)體振動(dòng)，由于質(zhì)量塊有一定的質(zhì)量，產(chǎn)生慣性力，而彈簧片又非常柔軟，因此當(dāng)而彈簧片又非常柔軟，因此當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于傳感器固

12、有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率時(shí)，線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)形氣隙中相對(duì)永久磁鐵運(yùn)動(dòng)，頻率時(shí)，線圈在磁路系統(tǒng)的環(huán)形氣隙中相對(duì)永久磁鐵運(yùn)動(dòng)，以振動(dòng)體的振動(dòng)速度切割磁力線以振動(dòng)體的振動(dòng)速度切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過引線引線9 9接到測(cè)量電路。接到測(cè)量電路。良導(dǎo)體阻尼器良導(dǎo)體阻尼器也在磁路系統(tǒng)氣隙中運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)產(chǎn)生渦流，也在磁路系統(tǒng)氣隙中運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)產(chǎn)生渦流，形成系統(tǒng)的阻尼力，起衰減固有振動(dòng)和擴(kuò)展頻率響應(yīng)范圍形成系統(tǒng)的阻尼力，起衰減固有振動(dòng)和擴(kuò)展頻率響應(yīng)范圍的作用。的作用。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器（二）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器（二）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器（變磁通式）（變磁通

13、式）1 1、結(jié)構(gòu)組成：、結(jié)構(gòu)組成：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2 2與轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸1 1固緊。轉(zhuǎn)子固緊。轉(zhuǎn)子2 2和定子和定子5 5都用工業(yè)純鐵制成，都用工業(yè)純鐵制成，它它們和永久磁鐵們和永久磁鐵3 3組成磁路系統(tǒng)組成磁路系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子2 2和定子和定子5 5的環(huán)形端面的環(huán)形端面上都均勻地銑了一些齒和槽，上都均勻地銑了一些齒和槽，兩者的齒、槽數(shù)對(duì)應(yīng)相等兩者的齒、槽數(shù)對(duì)應(yīng)相等。2 2、測(cè)量原理：、測(cè)量原理：測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，傳感器的轉(zhuǎn)軸測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，傳感器的轉(zhuǎn)軸1 1與被測(cè)物轉(zhuǎn)軸相連接，因而與被測(cè)物轉(zhuǎn)軸相連接，因而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)轉(zhuǎn)子2 2轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子當(dāng)轉(zhuǎn)子2 2的齒與定子的齒與定子5 5的齒相對(duì)時(shí)，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的

14、的齒相對(duì)時(shí)，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的磁通最大。而齒與槽相對(duì)時(shí)，氣隙最大，磁通最小。磁通最大。而齒與槽相對(duì)時(shí)，氣隙最大，磁通最小。因此當(dāng)定子因此當(dāng)定子5 5不動(dòng)而轉(zhuǎn)子不動(dòng)而轉(zhuǎn)子2 2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁通就周期性地變化，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁通就周期性地變化，從而在線圈從而在線圈4 4中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號(hào)，其中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號(hào)，其頻率與頻率與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器（三）磁電感應(yīng)式扭矩儀（三）磁電感應(yīng)式扭矩儀（變磁通式）（變磁通式）1 1、結(jié)構(gòu)組成：、結(jié)構(gòu)組成：轉(zhuǎn)子（包括線圈）固定在傳感器軸上，定子（永久磁鐵）轉(zhuǎn)子（包

15、括線圈）固定在傳感器軸上，定子（永久磁鐵）固定在傳感器外殼上。轉(zhuǎn)子、定子上都有一一對(duì)應(yīng)的齒和固定在傳感器外殼上。轉(zhuǎn)子、定子上都有一一對(duì)應(yīng)的齒和槽。槽。2 2、測(cè)量原理：、測(cè)量原理：測(cè)量扭矩時(shí)，需用兩個(gè)傳感器，將它們的轉(zhuǎn)軸（包括線圈測(cè)量扭矩時(shí)，需用兩個(gè)傳感器，將它們的轉(zhuǎn)軸（包括線圈和轉(zhuǎn)子）分別固定在被測(cè)軸的兩端，它們的外殼固定不動(dòng)。和轉(zhuǎn)子）分別固定在被測(cè)軸的兩端，它們的外殼固定不動(dòng)。安裝時(shí)，一個(gè)傳感器的定子齒與其轉(zhuǎn)子齒相對(duì)，另一個(gè)傳安裝時(shí)，一個(gè)傳感器的定子齒與其轉(zhuǎn)子齒相對(duì)，另一個(gè)傳感器的定子槽與其轉(zhuǎn)子齒相對(duì)。感器的定子槽與其轉(zhuǎn)子齒相對(duì)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院

16、第五章 磁電式傳感器當(dāng)被測(cè)軸無外加扭矩時(shí)，扭轉(zhuǎn)角為零，當(dāng)被測(cè)軸無外加扭矩時(shí)，扭轉(zhuǎn)角為零，若轉(zhuǎn)軸以一定角若轉(zhuǎn)軸以一定角速度旋轉(zhuǎn)，則兩個(gè)傳感器輸出相位差為速度旋轉(zhuǎn)，則兩個(gè)傳感器輸出相位差為00或或180180的兩個(gè)的兩個(gè)近似正弦波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。近似正弦波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。被測(cè)軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角被測(cè)軸感受扭矩時(shí)，軸的兩端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角 ，因此兩個(gè)，因此兩個(gè)傳感器輸出的兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將因扭矩而有附加相位差傳感器輸出的兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將因扭矩而有附加相位差 。扭轉(zhuǎn)角與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差的關(guān)系為。扭轉(zhuǎn)角與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差的關(guān)系為經(jīng)測(cè)量電路，將相位差轉(zhuǎn)換成角度差，就可測(cè)出扭矩。經(jīng)測(cè)量電路，將相位差轉(zhuǎn)換成角度差，就可測(cè)出扭矩。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五章 磁電式傳感器第二節(jié)霍爾式傳感器第二節(jié)霍爾式傳感器l定義：定義：霍爾式傳感器是基于霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，如而將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸電動(dòng)勢(shì)輸出出的一種傳感器。的一種傳感器。l特點(diǎn)：特點(diǎn)：不足：轉(zhuǎn)換率較低，溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高不足：轉(zhuǎn)換率較