浅析磁电式传感器的结构原理及其在汽车测试中的应用要点Word文档格式.doc

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任课教师：

郑建祥博士（13179519460）

2014-05-25

浅析磁电式传感器的结构原理及其在汽车测试中的应用

摘要：

对磁电式转速传感器结构及工作原理进行了阐述,并介绍了其在汽车测试的几个方面中的应用。

关键词：

磁电式传感器汽车测试机电一体化数据采集控制装置

Abstract　Themagneticsensorisbasedontheprincipleofelectromagneticsensors,bymagnetoelectricinteractionwillbemeasured（suchasvibration,displacement,speedetc.）intosensorinductionelectromotiveforce,whichisalsoknownastheinductivesensor,electricsensor.Accordingtothelawofelectromagneticinduction,theinductionelectromotiveforceinNcoil.Inductionelectromotiveforceisdeterminedfromtherateofchangeofmagneticflux.ThemagneticfluxchangeofCOcanbeachievedbymanymeans:

suchastherelativemotionbetweenthemagnetandthecoilmagneticreluctance;

change;

coilsizechangeinaconstantmagneticfield.Itcanproducedifferenttypesofmagneticsensor.Themagneticsensorisakindofmachineelectricenergyconversiontypesensor,anddoesnotneedthepowersupply,thecircuitissimple,stableperformance,strongoutputsignal,theoutputimpedanceissmall,withacertainfrequencyresponserange,suitableforvibration,speed,torquemeasurement.

　　引言：

　作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术,已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。

在现代汽车电子控制中，传感器广泛用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中，传感器的使用数量和技术水平决定了现代车辆控制系统的性能，为汽车性能的改善提供了有力保障。

传感器是汽车电子控制系统的信息源，是促进汽车高档化、电子化、自动化的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。

普通汽车上大约装有10-20只传感器，高级豪华轿车则更多。

传感器能及时识别外界和系统本身的变化，对温度、压力、位置、转速、体积流量等信息进行实时、准确的测量，并将信息传递给电脑进行处理，从而实现汽车各系统的电子控制。

现代社会对车辆性能的要求越来越高，促使汽车传感器技术不断发展，今后汽车传感器的发展趋势是实现微型化、智能化和多功能化，开发新材料、新工艺和新型传感器。

正文

一结构原理磁传感器是基于电磁传感器原理,通过磁电相互作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成感应电动势的传感器，它也被称为感应式传感器、电动式传感器。

根据电磁感应定律，N匝线圈中的感应电动势。

感应电动势的大小由磁通的变化率决定。

磁通量协的变化可以通过很多办法来实现:

如磁铁与线圈之间作相对运动;

磁路中磁阻变化;

恒定磁场中线圈面积变化等。

因此可以制造出不同类型的磁传感器。

磁传感器是一种机一电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出信号强，输出阻抗小，具有一定的频率响应范围，适合于振动、转速、扭矩等测量。

但这种传感器的尺寸和重量都较大。

　　磁电传感器由永久磁铁（磁钢）、线圈、弹簧、金属骨架和壳体等组成。

系统产生恒定直流磁场，磁路中工作气隙是固定不变的，因而气隙中的磁通也是恒定不变的。

它们的运动部件可以是线圈，又可分为圈式或动铁式两种结构类型。

恒磁通磁传感器结构原理图磁铁与传感器壳体固定，线圈和金属骨架（合称线圈组件）用柔软弹簧支承。

线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。

两者的阻尼都是由金属骨架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，因此振动频率足够高（远高于传感器的固有频率）时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，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。

线圈与磁铁间相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度成正比的感应电动势，线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数;

工作气隙中磁感应强度;

每匝线圈的平均长度。

　　这类传感器的基型是速度传感器，能直接测量线速度。

因为速度与位移和加速度之间有内在的联系，即它们之间存在着积分或微分关系。

因此，如果在感应电动势的测量电路中接入一积分电路，则它的输出就与位移成正比;

如果在测量电路中接人一微分电路，则它的输出就与运动的加速度成正比。

这样，这类磁传感器就可以用来测量运动的位移或加速度。

磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它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：

E=-w（dΦ/dt）

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。

下图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。

变磁通式结构

（a）旋转型（变磁））；

（b）平移型（变气隙）

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。

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，如下图所示。

恒磁通式结构（a）动圈式；

（b）动铁式

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

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）v——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。

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。

根据电磁感应定律,当w匝线圈在恒定磁场内运动时,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:

E=-w（dΦ/dt）

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）

v——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度（ms-1）。

传感器的灵敏度为

2

工作原理

编辑

E=-w（dΦ/dt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。

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