第7章磁电传感器 基于电磁感应原理的传感器称为磁电传感器，也称电磁感应传感器。它是通过磁电 作用将被测量转换成电信号的一种传感器，它不需要供电电源，电路简单，性能稳定】 输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围，适用于振动、转速、位移等测量。 7.1磁电传感器的原理与类型 7.1.1工作原理 电磁传感器是以电磁感应原理为基础的，图71给出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 线中所产生的脑立电动势：的大小取决于穿过的线圈的磁通影的变化体即：。-水名 当垂直于磁场方向运动时，若以线圈线圈相对磁场方向运动的速度ⅴ或角速度w表示， 则上式可写成 e=-NBly NBSw （7-1) 式中1为每匝线圈的平均长度：B为线圈所在磁场的磁感应强度；S为每匝线圈的 平均面积
第 7 章 磁电传感器 基于电磁感应原理的传感器称为磁电传感器，也称电磁感应传感器。它是通过磁电 作用将被测量转换成电信号的一种传感器，它不需要供电电源，电路简单，性能稳定， 输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围，适用于振动、转速、位移等测量。 电磁传感器是以电磁感应原理为基础的，图 7-1 给出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 的大小取决于穿过的线圈的磁通 的变化率，即 d e N dt = − . 当垂直于磁场方向运动时，若以线圈线圈相对磁场方向运动的速度 v 或角速度 w 表示， 则上式可写成 e NBlv NBSw = − = （7-1） 式中 l 为每匝线圈的平均长度； B 为线圈所在磁场的磁感应强度； S 为每匝线圈的 平均面积
·114- 传感器技术设计与应用 (a) (b) 图71磁电传感器的工作原理图 在传感器中，当结构参数确定后，B、1、N、S均为定值，因此感应电动势e与 线圈相对磁场的运动速度(v或”)成正比。 由上述工作原理可知，磁电感应传感器只适用于动态测量，可直接测量振动物体的 速度或旋转体的角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可用来 测量位移或加速度。 7.1.2磁电传感器的类型 根据工作原理，可将磁电感应传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。 7.1.2.1恒定磁通式 如图7-2所示，恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）4、线圈3、簧2 金属骨架1和壳体5等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中工作气隙是固定不 变的，它们的运动部分可以是线圈也可以是磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种结构 类型。在动圈式见图7-2(a)中，永久磁铁4与传感器壳体5固定，线圈3和金属骨架1
·114· 图 7-1 磁电传感器的工作原理图 在传感器中，当结构参数确定后， B 、l 、 N 、 S 均为定值，因此感应电动势 e 与 线圈相对磁场的运动速度（ v 或 w ）成正比。 由上述工作原理可知，磁电感应传感器只适用于动态测量，可直接测量振动物体的 速度或旋转体的角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可用来 测量位移或加速度。 根据工作原理，可将磁电感应传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。 7.1.2.1 恒定磁通式 如图 7-2 所示，恒定磁通磁电感应式传感器由永久磁铁（磁钢）4、线圈 3、弹簧 2、 金属骨架 1 和壳体 5 等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中工作气隙是固定不 变的，它们的运动部分可以是线圈也可以是磁铁，因此又分为动圈式和动铁式两种结构 类型。在动圈式见图 7-2(a）中，永久磁铁 4 与传感器壳体 5 固定，线圈 3 和金属骨架 1
第7章磁电传感器 ·115 (合称线圈组件)用柔软弹簧2支撑。在动铁式（图7-2b)中，线圈组件（包括3和件1） 与壳体5固定，永久磁铁4用柔软弹簧2支撑。两者的阻尼都是由金属架1和磁场发生 相对运动而产生的电磁阻尼。动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的，当壳体5随被 测振动物体一起振动时，由于弹簧2较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够 高（远高于传感器的固有频率）时，运功部件的惯性很大，来不及跟随振动物体一起振 动，近于静止不动，振动能量几乎全部被弹簧2吸收，永久磁铁4与线圈3之间的相对 运动速度接近于振动速度。磁铁4与线圈3相对运动，使线圈3切割磁力线，产生与运 动速度v成正比的感应电动势e=-NB。式中B为工作气隙磁感应强度；N为线圈处 于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数；1为每匝线圈的平均长度。 2 (a) (b) 1金属骨架2弹簧3一线圈4一永久磁铁5一光体 图7-2恒定磁通磁电感应式传感器结构原理图 7.1.2.2变磁通式 变磁通式又称为变磁阻式，常用来测量旋转物体的角速度，它们结构原理如图7-3 所标
7 ·115· （合称线圈组件）用柔软弹簧 2 支撑。在动铁式（图 7-2b）中，线圈组件（包括 3 和件 1） 与壳体 5 固定，永久磁铁 4 用柔软弹簧 2 支撑。两者的阻尼都是由金属架 1 和磁场发生 相对运动而产生的电磁阻尼。动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的，当壳体 5 随被 测振动物体一起振动时，由于弹簧 2 较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够 高（远高于传感器的固有频率）时，运功部件的惯性很大，来不及跟随振动物体一起振 动，近于静止不动，振动能量几乎全部被弹簧 2 吸收，永久磁铁 4 与线圈 3 之间的相对 运动速度接近于振动速度。磁铁 4 与线圈 3 相对运动，使线圈 3 切割磁力线，产生与运 动速度 v 成正比的感应电动势 e NBlv = − 。式中 B 为工作气隙磁感应强度； N 为线圈处 于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数； l 为每匝线圈的平均长度。 图 7-2 恒定磁通磁电感应式传感器结构原理图 7.1.2.2 变磁通式 变磁通式又称为变磁阻式，常用来测量旋转物体的角速度，它们结构原理如图 7-3 所示
·116· 传感器技术设计与应用 图7-3()为开磁路变磁通式，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材料 制成)安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁阻变化一次， 磁通也就变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮的齿 数和转速的乘积。即 f=2z%0 式中，Z为齿轮的齿数；n为被测轴的转速(rmin);∫为电动势频率(Hz 3、9 (b) 被测旋转体2—被测齿轮3—线4—软铁5 —一永久越铁 图7-3变磁通磁电感应式传感器结构原理图 这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上装齿轮较危险而不宜测高速 转，另外，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大，在振动强的场合往往采用 闭磁路速度传感器 图7-3(b)为闭磁路变磁通式结构示意图，被测轴1带动椭圆形测量齿轮在磁场气 隙中等速度转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性地变化，磁通同 样周期性地变化，则在线圈3中产生感应电动势，其频率∫与测量齿轮转速(r/min) 成正比，即=n/30。在此结构中，也可用齿轮代替椭圆形测量齿轮2，软铁（极掌）4
·116· 图 7-3（a）为开磁路变磁通式，线圈 3 和磁铁 5 静止不动，测量齿轮 2（导磁材料 制成）安装在被测旋转体 1 上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁阻变化一次， 磁通也就变化一次，线圈 3 中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮 2 上齿轮的齿 数和转速的乘积。即 60 Zn f = 式中， Z 为齿轮的齿数； n 为被测轴的转速（r/min）； f 为电动势频率（Hz）。 图 7-3 变磁通磁电感应式传感器结构原理图 这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上装齿轮较危险而不宜测高速 转，另外，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大，在振动强的场合往往采用 闭磁路速度传感器。 图 7-3（b）为闭磁路变磁通式结构示意图，被测轴 1 带动椭圆形测量齿轮在磁场气 隙中等速度转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性地变化，磁通同 样周期性地变化，则在线圈 3 中产生感应电动势，其频率 f 与测量齿轮转速 n( r min ) 成正比，即 f n = 30 。在此结构中,也可用齿轮代替椭圆形测量齿轮 2，软铁（极掌）4
第7章磁电传感器 ·117 制成内齿轮形式。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在150~+90℃温度下工作，不影响测量 精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50z, 上限可达100kHz. 7.2磁电式传感器的设计要点 从磁电式传感器的基本原理看，它的基本条件有两个：一个是磁路系统，由它产生 磁场，为了减小传感器的体积，一般是都采用永久磁铁；另一个是线圈。感应电动势© 与磁通变化率么或者线圈与磁场相对运动速度ⅴ成正比，因此必须有运动部分，是 线圈运动的称为动圈式；是磁铁运动的称为动铁式。这两个元件是主要的，除此之外还 有壳体、支撑、阻尼器等次要元件，这也是设计中要注意的。下面以应用较为普遍的动 圈式测振为例来说明设计中要考虑的几个主要问题。 7.2.1灵敏度S 由磁电式传感器的基本公式c=NBv可得传感器的灵敏度sn为 S.-=NBI （7-2) 可见灵敏度S。与磁感应强度B和线圈的平均周长1，匝数N有密切关系。设计时 般根据结构的大小初步确定磁路系统，根据磁路就可计算磁感应强度（或称磁通密度） B,这样由技术指标给定的灵敏度S值和已定B值，从式(6-2)就可求的线圈导线总
7 ·117· 制成内齿轮形式。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150 ＋90℃温度下工作，不影响测量 精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为 50Hz， 上限可达 100kHz。 从磁电式传感器的基本原理看，它的基本条件有两个：一个是磁路系统，由它产生 磁场，为了减小传感器的体积，一般是都采用永久磁铁；另一个是线圈。感应电动势 e 与磁通变化率 d dt 或者线圈与磁场相对运动速度 v 成正比，因此必须有运动部分，是 线圈运动的称为动圈式；是磁铁运动的称为动铁式。这两个元件是主要的，除此之外还 有壳体、支撑、阻尼器等次要元件，这也是设计中要注意的。下面以应用较为普遍的动 圈式测振为例来说明设计中要考虑的几个主要问题。 n S 由磁电式传感器的基本公式 e=NBlv 可得传感器的灵敏度 s n 为 n e S NBl v = = （7-2） 可见灵敏度 Sn 与磁感应强度 B 和线圈的平均周长 l，匝数 N 有密切关系。设计时一 般根据结构的大小初步确定磁路系统，根据磁路就可计算磁感应强度（或称磁通密度） B，这样由技术指标给定的灵敏度 Sn 值和已定 B 值，从式（6-2）就可求的线圈导线总