1、第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器1第七章第七章 磁電式傳感器磁電式傳感器磁磁電式傳感器的基本工作原理電式傳感器的基本工作原理磁電式振動(dòng)傳感器磁電式振動(dòng)傳感器磁磁電式傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)電式傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)磁磁電式傳感器的應(yīng)用電式傳感器的應(yīng)用主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器27.1 概述概述基本原理：基本原理：利用電磁感應(yīng)原理，將輸入利用電磁感應(yīng)原理，將輸入(運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。成線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。特點(diǎn)：特點(diǎn)：有源傳感器：不需要激勵(lì)電源有源傳感器：不需要激勵(lì)電源;具有機(jī)電雙向轉(zhuǎn)換特性具有機(jī)電雙向轉(zhuǎn)換特性;具有較大的輸出功率具有

2、較大的輸出功率;只適于動(dòng)態(tài)測(cè)量。只適于動(dòng)態(tài)測(cè)量。第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器3工作原理工作原理由電磁感應(yīng)定律，當(dāng)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)，匝線圈在均恒磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，則線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為為：導(dǎo)線在恒定磁場(chǎng)中導(dǎo)線在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線，感生電割磁力線，感生電勢(shì)為：勢(shì)為：sinsinWBlvdtdxWBle：導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；：導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器4線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，感生電勢(shì)為：線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，感

3、生電勢(shì)為：sinsinWBlvdtdxWBleB：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；l:每匝線圈的有效長(zhǎng)度每匝線圈的有效長(zhǎng)度：線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；線圈運(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，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)旋轉(zhuǎn)并切割磁力線，感生電勢(shì)為：線圈相對(duì)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)并切割磁力線，感生電勢(shì)為：)sin(sinWBSdtdWBSe S：每匝線圈的圍成的面積：每匝線圈的圍成的面積：線圈平面法線方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；線圈平面法線方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；:線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度第第七七章章磁磁電電式式傳傳

4、感感器器5兩種基本類型兩種基本類型恒定磁通式：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。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：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)磁鐵、線圈均不動(dòng)，感應(yīng)電勢(shì)由變化的磁通產(chǎn)生，如下圖所示的轉(zhuǎn)速測(cè)量。生，如下圖所示的轉(zhuǎn)速測(cè)量。1一永久磁鐵一永久磁鐵2一軟磁鐵一軟磁鐵3一感應(yīng)線圈一感應(yīng)線圈4一測(cè)量齒輪一測(cè)量齒輪第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器6第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器7被被 測(cè)測(cè) 物物SN 7.2 磁電式振動(dòng)傳感器磁電式振動(dòng)傳感器一、工作原理與動(dòng)

5、態(tài)特性一、工作原理與動(dòng)態(tài)特性殼體線圈永久磁鐵彈簧第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器8動(dòng)鐵式振動(dòng)傳感器演示動(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)；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。加大，相位相反。第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器9動(dòng)圈式傳感器用于振動(dòng)測(cè)試第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器101、構(gòu)成、構(gòu)成永久磁鐵永久磁鐵:產(chǎn)生磁場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)線圈：感生出電動(dòng)勢(shì)線圈：感生出電動(dòng)勢(shì)彈簧：彈性恢復(fù)彈簧：彈性恢復(fù)阻尼器阻尼器電磁阻尼：線圈金電磁阻尼：線圈金屬骨架在磁場(chǎng)中運(yùn)屬骨架在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)渦流，動(dòng)，產(chǎn)

6、生感應(yīng)渦流，而受到反方向的作而受到反方向的作用力。用力。空氣阻尼：空氣阻尼：殼體殼體:提供閉合磁路提供閉合磁路、磁屏蔽磁屏蔽mckx0 xm動(dòng)態(tài)特性分析動(dòng)態(tài)特性分析二階系統(tǒng)表示二階系統(tǒng)表示第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器11注意：位移符號(hào)與書(shū)上不同！注意：位移符號(hào)與書(shū)上不同！1001yyy第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器12設(shè)：設(shè)：x0-振動(dòng)體的絕對(duì)位移；振動(dòng)體的絕對(duì)位移；xm-質(zhì)量塊的絕對(duì)位移質(zhì)量塊的絕對(duì)位移ttmxkdtdxcdtxdm22)()(0022xxkxxdtdcdtxdmmmm運(yùn)動(dòng)正方向向上，所有力（包括慣性力）假設(shè)正方運(yùn)動(dòng)正方向向上，所有力（包括慣性力）假設(shè)正方向向上

7、，根據(jù)力平衡原理，有：向向上，根據(jù)力平衡原理，有：dtdD 令02)()(xkcDxkcDmDm則：質(zhì)量塊相對(duì)于外殼（或被測(cè)物）的位移：質(zhì)量塊相對(duì)于外殼（或被測(cè)物）的位移：第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器1302)()(xkcDxkcDmDm則：mkc2mk0令：令：第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器14若振動(dòng)體作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，將若振動(dòng)體作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，將D=j 代入：代入：02020021)(jjxxt得：振幅比：振幅比：第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器15頻率特性：頻率特性：當(dāng)當(dāng) 0時(shí)：時(shí)：00 xxt090當(dāng)當(dāng) 0時(shí)：時(shí)：210 xxt00當(dāng)當(dāng) 0時(shí)：時(shí)：10 xxt0180第第七七章

8、章磁磁電電式式傳傳感感器器160第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器17質(zhì)量體受力（力傳感器）質(zhì)量體受力（力傳感器）第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器18基座受力（運(yùn)動(dòng)傳感器）基座受力（運(yùn)動(dòng)傳感器）第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器19測(cè)力傳感器測(cè)力傳感器00.11.04.01.00.12.010520.70.50.2測(cè)振動(dòng)測(cè)振動(dòng)第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器202、討、討 論論1）當(dāng)）當(dāng) 3 0 時(shí)，時(shí)，xt/x0 1xt x0,m近似看作靜止不動(dòng)近似看作靜止不動(dòng);=-1800。2）阻尼比阻尼比 的影響：的影響： 增大增大 （0.7左右），可以減小共振峰，改善低左右），可以減小共振

9、峰，改善低頻響應(yīng)；頻響應(yīng)；3）固有頻率）固有頻率 0的影響：降低的影響：降低 0 ，擴(kuò)大低頻段。，擴(kuò)大低頻段。4）理想情況，當(dāng)）理想情況，當(dāng) 0線圈中的感應(yīng)電勢(shì)：線圈中的感應(yīng)電勢(shì)： e=WBlv靈敏度：靈敏度：s=WBl第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器21例題例題1：設(shè)計(jì)一個(gè)磁電式振動(dòng)速度傳感器，要求：設(shè)計(jì)一個(gè)磁電式振動(dòng)速度傳感器，要求振動(dòng)頻率為振動(dòng)頻率為50Hz時(shí)，最大振幅誤差不超過(guò)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。，求傳感器的固有頻率及輸出的相位。解：解：當(dāng)當(dāng) 0時(shí)，時(shí)，10 xxt 1)；LD1D2D3th第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器40 7

10、.4 參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)一、固有頻率的確定一、固有頻率的確定mk01）為了保證精度，要求：）為了保證精度，要求： / 032）為了改善低頻響應(yīng)性能，可以采取的措施：）為了改善低頻響應(yīng)性能，可以采取的措施：K、m 0注意：注意：K 靜撓度靜撓度, m 傳感器變重傳感器變重3）根據(jù)最大容許幅值誤差來(lái)確定彈簧剛度；）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。）合理選擇固有頻率。第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器41彈簧剛度計(jì)算彈簧剛度計(jì)算mkf21021kkk兩彈簧選擇原則：兩彈簧選擇原則：使質(zhì)量塊處于中間位置。使質(zhì)量塊處于中間位置。彈簧剛度：彈簧剛度：垂直放置：上面彈簧的剛度比下面

11、的小。垂直放置：上面彈簧的剛度比下面的小。mfK202兩個(gè)彈簧并聯(lián)：第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器42阻尼系數(shù)計(jì)算阻尼系數(shù)計(jì)算電磁阻尼（金屬骨架為阻尼器）：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。第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器43阻尼器阻尼器阻尼器的作用：衰減自由振動(dòng)，降低共振峰，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。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：

12、阻尼系數(shù)與阻尼比的關(guān)系為：理想的阻尼比為：理想的阻尼比為：第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器44阻尼器阻尼器阻尼器阻尼器電磁阻尼器電磁阻尼器空氣阻尼器空氣阻尼器金屬杯阻尼器Dcp:金屬杯平均直徑；金屬杯平均直徑；lg:氣隙深度；氣隙深度；t: 金屬杯的壁厚；金屬杯的壁厚； : 金屬材料的電阻率。金屬材料的電阻率。第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器45空氣阻尼器（在杯底開(kāi)空調(diào)節(jié)阻尼）空氣阻尼器（在杯底開(kāi)空調(diào)節(jié)阻尼）第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器467. 5 應(yīng)用應(yīng)用磁電式振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)：磁電式振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)：1）輸出阻抗小；）輸出阻抗小；2）對(duì)絕緣、放大器的要求不高；）對(duì)絕緣、放大

13、器的要求不高；3）信號(hào)強(qiáng)，噪聲干擾相對(duì)較小，可忽略；）信號(hào)強(qiáng)，噪聲干擾相對(duì)較小，可忽略；4）體積、重量大，有磨損；）體積、重量大，有磨損；5）工作溫度不高（）工作溫度不高（120C)；6）頻率響應(yīng)不高）頻率響應(yīng)不高(102000Hz)。（以上相對(duì)壓電式而言）（以上相對(duì)壓電式而言）第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器47監(jiān)測(cè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器48飛機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析飛機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析飛機(jī)地面振動(dòng)飛機(jī)地面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理方框圖方框圖第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器49逆向應(yīng)用逆向應(yīng)用-電磁激振器電磁激振器第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器50逆向應(yīng)用逆向應(yīng)

14、用-電磁激振器電磁激振器功率放大器功率放大器第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器51逆向應(yīng)用逆向應(yīng)用-電磁激振器電磁激振器在激光切割機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)、折彎?rùn)C(jī)等大型設(shè)備上振動(dòng)測(cè)試在激光切割機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)、折彎?rùn)C(jī)等大型設(shè)備上振動(dòng)測(cè)試 第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器52轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器53磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理磁電感應(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)出頻率和幅值均與而在線

15、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)軸轉(zhuǎn)速成比例的交流電壓信號(hào)u0。由于感應(yīng)電壓與磁通由于感應(yīng)電壓與磁通的變化率成的變化率成比例，即比例，即 ( (W是線圈匝數(shù)）是線圈匝數(shù)）故隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，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。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。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器。tWudd0第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器54扭矩測(cè)量扭矩測(cè)量12

16、測(cè)量?jī)x表ut第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器55測(cè)試原理測(cè)試原理：在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪：在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪1和和2，它們的材質(zhì)、尺寸、齒，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和和4對(duì)著齒對(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。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)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。扭轉(zhuǎn)角的增加而加大，其大小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)

17、角、扭矩成正比。第第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器56本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)1）磁電式傳感器（振動(dòng)傳感器）的工作原理）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)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成：永久磁鐵、線圈、彈簧、阻尼器（電磁阻結(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)鐵式結(jié)構(gòu)形式：動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式3）二階系統(tǒng)表示：）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）典型應(yīng)用：振動(dòng)監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)速、扭距測(cè)量2022020021)(）（）（振幅比為：xxt作業(yè)：作業(yè)：7 73 3，7 75 5第

18、第七七章章磁磁電電式式傳傳感感器器57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)。的磁通量，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器有兩種：磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器有兩種：1.1.開(kāi)磁路開(kāi)磁路開(kāi)磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空氣磁阻大。開(kāi)磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空氣磁阻大。2.2.閉磁路閉磁路磁回路由轉(zhuǎn)軸、內(nèi)外齒輪、線圈回到磁鐵閉合。當(dāng)轉(zhuǎn)軸與被測(cè)軸一起磁回路由轉(zhuǎn)軸、內(nèi)外齒輪、線圈回到磁鐵閉合。當(dāng)轉(zhuǎn)軸與被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和磁鐵一起轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磁轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和磁鐵一起轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磁路氣隙發(fā)生變化，因而磁阻變化并使穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生周期性變路氣隙發(fā)生變化，因而磁阻變化并使穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生周期性變化，在線圈中產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電勢(shì)。其特點(diǎn)是磁路磁阻小，輸出化，在線圈中產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電勢(shì)。其特點(diǎn)是磁路磁阻小，輸出信號(hào)大，受被測(cè)軸振動(dòng)干擾小信號(hào)大，受被測(cè)軸振動(dòng)干擾小。 第第