电磁传感器-电磁传感器

发布时间：2017-11-16 所属栏目：电磁传感器

一 : 电磁传感器

磁电感应式传感器

李杰

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原理结构
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（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000

Hz），所以得到普遍应用。

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工作原理
根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为
e ? d? dt ? Bt dx dt ? Blv

(1-1)

式中: B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；
l——导体有效长度；

v——导体相对磁场的运动速度。
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当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt有

如下关系：
e ? ?W d? dt

(1-2)

根据以上原理，人们设计出两种磁电式传感器结构：变磁通式和恒磁通式。变磁通式又称为磁阻式，图1-1是变磁通式磁

电传感器，用来测量旋转物体的角速度。

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4

3

2

1

3

1 A 6

N

S A 7 5 6 5

(a )

(b )

图1-1（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。
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图1-1(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。

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v 弹簧 v

极掌

线圈
N

壳体线圈永久磁铁

磁轭 N S 补偿线圈

S

弹簧

(a )

(b )

图1-2 恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a）动圈式； (b) 动铁式
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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1-2（a））和动铁式（图1-2(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，从而产生感应电势为
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e ? ? B 0 lW v
式中：B0——工作气隙磁感应强度；

(1-3)

l——每匝线圈平均长度；
W——线圈在工作气隙磁场中的匝数；

v——相对运动速度。

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1.1.2 磁电感应式传感器基本特性当测量电路接入磁电传感器电路时，如图1-3所示，磁电传感器的输出电流Io为
Io ? E R ? Rf ? B o lWv R ? Rf

（1-4)

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

SI ?

Io v

?

B o lW R ? Rf

（1-5)
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而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
U o ? IoR f ? B o lWvR R ? Rf
f f

(1-6)

SU ?

Uo v

?

B o lWR R ? Rf

(1-7)

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

? ?

dS I SI

?

dB B

?

dl l

?

dR R
(1-8)

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Io 传感器 R E Rf

图1-3 磁电式传感器测量电路

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应用
1. 动圈式振动速度传感器

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在图中钢制圆柱型外壳内紧固着高磁能磁钢，磁钢中间有一小孔哦那个，两端带有线圈架和阻尼环的芯轴贯穿其中，芯轴两端又以圆形薄膜弹簧支撑着与外壳相连，为了使每个传感器灵敏度一致，在输出端与外壳之间并联着一个合适的电阻，使用时，通过传感器下面的螺孔杆与震动体一起震动，位于磁钢中的线圈就切割磁力线，于是就产生正比于振动度的电势。该电势由导线输入振动仪，直接放大可测量速度。

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2. 磁电式扭矩传感器图1-7是磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电传感器的结构见图1-8所示。传感器的检测

元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的
磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。

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图1-7 磁电式扭矩传感器工作原理图
舰船磁电相差式转矩仪的误差分析及实验研究邓军,王斌,戴威 (镇江船艇学院船艇工程系,江苏镇江212003)
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线圈齿形圆盘永久磁铁

铁芯

图1-8 磁电式传感器结构图
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当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器
输出的感应电压u1和u2存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转换成相位差的电信号。
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? 由旋转的触发轮（被等分的齿盘上面有多

齿或缺齿