磁电式传感器是用电磁感应原理.doc

磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。有时也称作电动式或感应式传感器， 只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为10～1000Hz。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。 根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场内运动时，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： ????? ????????????????????????????????????????? (5-1) 根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。图5.1所示为分别用于旋转角速度及振动速度测量的变磁通式结构。其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线圈4均固定，动铁心3(衔铁)的运动使气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称变磁阻式结构。 图5.1?变磁通式结构(a)旋转型（变磁阻）； (b)平移型（变气隙） 在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割磁力线而产生。这类结构有两种，如图5-2所示。图(a)为动圈式，图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。当线圈与磁铁间有相对运动是，线圈中产生的感应电势e为: 图5.2 恒磁通式结构 (a)动圈式；(b)动铁式 ?? ? ??????????????????????????????????????????? (5-2) 式中? B——气隙磁通密度(T)； ???? ｌ——气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m)为ｌ＝ｌaW（ｌa为每匝线圈的平均长度)； ????? ν——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度(ms-1)。 当传感器的结构确定后，式(5-2)中B、ｌa、W都为常数，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为: ??? ? ??????????????????????????????????????? (5-3) 为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加ｌa和W也能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频率等因素的限制。为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。 一.传递矩阵 ㈠.机械阻抗 图5.3(a)所示的质量为m、弹簧刚度为k，阻尼系数为c的单自由度机械振动系统。设在力F作用下产生的振动速度和位移分别为ν和x，由此可列出 力平衡方程: ?????? ????????????????????????(5-4) 图5.3(b)所示的由电阻R、电感L和电容C组成的串联电路，设电源电压为u，回路电流为i、电荷为q。由此可列出电压平衡方程: ???? ????????????????????? (5-5) 这两个微分方程式虽然机电内容不同，但形式相同。因此，这两个系统为一对相似系统。一个系统可以根据求解它的微分方程来讨论其动态特性，故上述两相似系统的动态特性必然一致，可以实现机电模拟。 在电路中存在着电阻抗，它是将电流与电压联系起来的一个参数，可以设想，如同电路中的电阻抗一样，假设机械系统存在“机械阻抗”ZM。类似于电系统，由式(5-4)可得:??????? (5-6) 可见ZM是将机械系统中某一点上的运动响???图5.3?一对相似系统 (a)单自 应与引起这个运动的力联系起来的一个参数。??由度机械振动系统；(b)RLC串联电路 由此可得，作简谐运动的线性机械系统的机械阻抗的定义为: 机械阻抗ZM(复数)=激振力(复数)/运动响应(复数)???????? (5-7) 引用机械阻抗概念来分析机械系统的动态特性，就可以用简单的代数方法求得描述动态特性的传递函数，而不必求解微分方程。 ㈡.传递矩阵 在图5.2所示的传感器中，作用在运动部件（质量块）上的力有： 弹簧力:![endif] 阻尼力: 惯性力: 电磁力: 质量块上力的平衡方程式为: 当振动体振动速度为v0、质量块速度为vm、传感器壳体与质量块相对运动速度为vt(vt= v0-vm)时,由力平衡关系，机械阻抗定义和(5-6)可得: ?? ????????????????????????(5-8) 令为由被测体的运动速度v0产生的、作用在质量块上的等效激振力。将式(5-6)代入