基本原理与结构型式

5.1　基本原理与结构型式

根据电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通量为Φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率有如下关系:

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，因此又可称变磁阻式结构。

图5-1　变磁通式结构

（a）旋转型；（b）平移型

对图5-1（a）结构，设动铁心的恒定角速度为ω，线圈截面积为A，磁路中最大与最小磁感应强度之差为B＝B_max-B_min，则由式（5-1）可得两磁轭2上互相串联的两个线圈中的感应电势e为

e＝-ωAWBcos2ωt　　（V）　　　　　（5-2）

由此可见，采用测频或测幅的方法都可以测得铁心的平均转速。

图5-1（b）的结构及工作原理与变气隙式电感传感器相似。通过适当的设计可使感应电势e与振动速度成线性关系，从而成为振动速度的度量。

图5-2　恒磁通式结构

（a）动圈式；（b）动铁式

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5-2（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时，线圈中产生的感应电势e为

e＝Blv　（V）　　　　　（5-3）

式中，B——气隙磁感应强度（T）；

l——气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度（m）为l＝l_aW（l_a为每匝线圈的平均长度）；

v——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度（m·s^-1）。

当传感器的结构确定后，式（5-3）中B、l_a、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

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，以提高气隙磁感应强度B；增加l_a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。

图5-2（b）为动铁式，近似于图5-10振动速度传感器的简化结构，详细介绍见后。

永久磁铁材料种类很多，目前在磁电式传感器中常用的永磁合金性能列于表5-1。

表5-1　几种永磁合金的磁性能表

图5-3　二阶系统力学模型图