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磁电式传感器磁电感应式传感器又称电动势式传感器，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。
它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。
它是一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000 Hz)，所以得到普遍应用。
磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。
由法拉第电磁感应定律可知，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 (V)的大小取决于穿过线圈的磁通 的变化率，即磁通量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；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般可将磁电感应式传感器分为恒磁通式和变磁通式两类恒磁通式磁电感应传感器结构与工作原理恒磁通式磁电感应传感器结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电动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。
这类结构有动圈式和动铁式两种，如图所示。
磁铁与线圈相对运动使线圈切割磁力线，产生与运动速度d x/d t 成正比的感应电动势E ，其大小为式中：N 为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B 为工作气隙磁感应强度；l 为每匝线圈平均长度。
当传感器结构参数确定后，N 、B 和l 均为恒定值，E 与d x/d t 成正比，根据感应电动势E 的大小就可以知道被测速度的大小。
由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度(E /v )是随振dtd Ne φ-=d d x E N Blt=-动频率而变化的；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。
不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。
低的可到10 Hz 左右，高的可达2 kHz 左右。
一、实验目的1. 了解磁电式传感器的工作原理和结构特点；2. 掌握磁电式传感器的安装、调试和应用方法；3. 学会使用磁电式传感器进行测量和信号处理；4. 提高实际操作能力和工程应用能力。
二、实验原理磁电式传感器是一种能将非电量的变化转换为感应电动势的传感器，它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。
磁电式传感器主要由永久磁钢、感应线圈、电路等部分组成。
当被测物体运动时，磁钢与线圈产生相对运动，线圈中的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。
三、实验器材1. 磁电式传感器：型号为LM393；2. Arduino Uno控制板；3. USB数据线；4. 振动平台；5. 示波器；6. 直流稳压电源；7. 电桥；8. 霍尔传感器；9. 差动放大器；10. 电压表；11. 测微头。
四、实验步骤1. 磁电式传感器安装：将磁电式传感器安装在振动平台上，确保传感器与振动平台固定牢固。
2. 传感器调试：调整传感器与振动平台的相对位置，使传感器能够正常工作。
3. 磁电式传感器信号采集：使用Arduino Uno控制板采集磁电式传感器的信号。
4. 信号处理：将采集到的信号通过示波器进行观察和分析，分析信号的波形和频率。
5. 霍尔传感器安装：将霍尔传感器安装在振动平台旁的支架上，确保传感器与振动平台固定牢固。
6. 霍尔传感器信号采集：使用Arduino Uno控制板采集霍尔传感器的信号。
7. 信号处理：将采集到的信号通过示波器进行观察和分析，分析信号的波形和频率。
8. 比较两种传感器特性：比较磁电式传感器和霍尔传感器的信号波形和频率，分析两种传感器的优缺点。
9. 实验结果分析：根据实验结果，分析磁电式传感器的测量精度、响应速度和抗干扰能力。
五、实验结果与分析1. 磁电式传感器信号波形和频率：通过示波器观察，磁电式传感器信号波形稳定，频率与振动频率一致。
2. 霍尔传感器信号波形和频率：通过示波器观察，霍尔传感器信号波形稳定，频率与振动频率一致。
磁电式传感器转速测量实验报告一．磁电式转速传感器的工作原理与特点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，属于非接触式转速测量仪表。
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。
可用于表面有缝隙的物体转速测量，有很好的抗干扰性能，多用于发动机等设备的转速监控，在工业生产中有较多应用。
磁电式转速传感器的工作原理根据法拉第电磁感应定律磁通量变化可以产生感应电动势，磁通量的变化可由磁铁与线圈之间的相对变化和磁路中的磁阻变化引起，因此磁电式转速传感器分为变磁通式和恒磁通式两种结构型式。
变磁通式结构中，永久磁铁与线圈均固定，动铁心的运动使气隙和磁路磁阻变化，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，又分为开磁路与闭磁路两种结构，如图1（a）、(b)。
其中：1-永久磁铁 2-软磁铁 3-感应线圈 4-测量齿轮 5-内齿轮 6-外齿轮 7-转轴本实验传感器属于开磁路变磁通式，其工作原理是：线圈、磁铁静止不动, 测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动，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齿数的乘积。
4321N S闭磁路变磁通式：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生电动势。
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。
分为两种形式，如图NS 外壳线圈永久磁铁框架弹簧 N S永久磁铁线圈运动部分图2 (a) 线圈不动，磁铁运动 (b) 线圈运动，磁铁不动式中：B － 气隙磁感应强度(Wb/m 2)l － 线圈导线总长度(m)S － 线圈所包围的面积(m 2)v － 线圈和磁铁间相对运动的速度 (m/s)ω－ 线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s)α －运动方向与磁感应强度方向的夹角恒磁通式感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比。
第四章 思考题与习题1、简述磁电感应式传感器的工作原理。
磁电感应式传感器有哪几种类型？答：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据法拉第电磁感应定律可知，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量变化时，线圈中所产生的感应电动势e 的大小取决于穿过线圈的磁通φ的变化率，即：dtd Ne Φ-= 根据这个原理，可将磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。
2、某些磁电式速度传感器中线圈骨架为什么采用铝骨架？答：某些磁电式速度传感器中线圈采用铝骨架是因为线圈在磁路系统气隙中运动时，铝骨架中感应产生涡流，形成系统的电磁阻尼力，此阻尼起到衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。
3、何谓磁电式速度传感器的线圈磁场效应，如何补偿？答：线圈磁场效应是指磁电式速度传感器的线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场作用，而使其变化。
如公式v BlN e 0-=知，由于B 的变化而产生测量误差。
补偿方法通常是采用补偿线圈与工作线圈串接，来抵消线圈中感应电流磁场对恒定磁场的影响。
4、为什么磁电感应式传感器在工作频率较高时的灵敏度，会随频率增加而下降？ 答：由理论推到可得传感器灵敏度与频率关系是：42020220220)(1)(1)2()1()(ωωωωξωωξωωωω-===+-=NBl v e k v NBl e v 取 当振动频率低于传感器固有频率时，这种传感器的灵敏度是随振动频率变化；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。
5、变磁通式传感器有哪些优缺点？答：变磁通式传感器的优点是对环境条件要求不高，能在－150—+900C 的温度条件下工作，而不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。
缺点主要是它的工作频率下限较高，约为50Hz ，上限可达100kHz ，所以它只适用于动态量测量，不能测静态量。
磁电式传感器结构图分析各种磁电式传感器介绍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。
它能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种无源传感器。
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。
磁电式传感器的原理结构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；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：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。
变磁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。
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）。
一、引言磁电式传感器（magnetic-electric sensor）是一种常见的传感器类型，广泛应用于各个领域中，包括工业自动化、交通运输、机器人、医疗设备等。
磁电式传感器利用磁力与电磁感应的原理，将磁场的变化转化为电信号，从而实现对磁场强度、方向或位置的检测。
本文将详细解释磁电式传感器的工作原理，包括其基本原理、结构、工作方式以及应用领域。
二、磁电式传感器的原理1. 电磁感应原理磁电式传感器的工作原理基于电磁感应的原理。
根据法拉第电磁感应定律，当一个导体在磁力线穿过时，会在导体中产生电动势。
这种现象可以用以下公式表示：EMF = -dΦ/dt其中EMF表示电动势，Φ表示磁场通量，dt表示时间的微小变化。
根据该定律可知，当磁场强度或磁场方向发生变化时，会在导体中产生电动势。
2. 磁电效应原理磁电式传感器的核心部件是磁电材料，如铁电材料或磁电材料。
磁电材料具有磁电效应，即在外加磁场的作用下，会产生磁感应强度与电场强度之间的线性关系。
磁电效应可以通过以下公式表示：E = k * H其中E表示电场强度，k表示磁电系数，H表示磁场强度。
根据该公式可知，当磁场强度发生变化时，磁电材料会产生相应的电场强度变化。
3. 磁电式传感器的构成磁电式传感器通常由磁电材料、电极、封装以及相关电路组成。
磁电材料：磁电材料是磁电式传感器的核心部件，它通过磁电效应将磁场的变化转化为电场的变化。
常见的磁电材料包括铁电材料和磁电材料。
电极：电极用于连接磁电材料和外部电路，将磁电材料产生的电场信号引出。
封装：封装是保护磁电材料和电极的外壳，通常采用环氧树脂或金属外壳进行封装。
相关电路：相关电路包括放大电路、滤波电路和输出电路等，用于放大和处理磁电材料产生的电场信号，提供给外部电路使用。
4. 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理基于磁电效应和电磁感应的原理。
当存在磁场时，磁电材料会产生相应的电场变化。
根据电磁感应原理，当磁场的强度或方向发生变化时，会在磁电材料中产生电动势。
磁电式传感器原理
磁电式传感器是一种常用的物理量测量装置，它利用磁电效应实现对磁场的测量。
磁电效应是指当磁场作用于特定的材料时，会在材料中产生电势差或电流。
磁电式传感器的工作原理可以分为两个步骤：磁场的感应和电信号的转换。
首先，当磁场作用于磁电式传感器中的磁敏材料时，磁敏材料内部的自由电子会受到力的作用，从而形成一个电势差或电流。
这是由于磁场会改变电子的运动轨迹，导致电荷在材料中的分布发生变化。
这个电势差或电流的大小与磁场的强度成正比。
然后，磁电式传感器会将产生的电势差或电流信号转换成可用的测量信号。
这通常通过将电势差转换成电压信号或通过电流信号经过放大和滤波后得到。
这样的测量信号可以用来表示磁场的强度或与其他物理量的关系。
磁电式传感器有许多应用领域，包括磁场测量、运动传感、接近开关等。
它们通常具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好等特点，可以实现对磁场的准确测量。
同时，磁电式传感器还可以通过改变磁敏材料的性质或结构，实现对不同范围和分辨率的测量需求。
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d Φ/dt 有如下关系：
dt d W e φ-=
(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
Blv e =
(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＝ｌa W （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:
Bl v e S ==
(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:
⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=⎰t x vdt k cv dt dv m
F 0)0( (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:
⎥⎦⎤⎢
⎣⎡+++=⎰t q idt C Ri dt di L u 0)0(1 (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”Z M 。
类似于电系统，由式(5-4)可
得:)/(ωωk m j c v F Z M -+== (5-6)
可见Z M 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Z M (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:c v vZ f c e ⋅==
惯性力:m m m m m Z v v m j v Z v f )()(0-=⋅==ω
电磁力:Bli f t =
质量块上力的平衡方程式为:
m t c k f f f f =++
当振动体振动速度为v 0、质量块速度为v m 、传感器壳体与质量块相对运动
速度为v t (v t = v 0-v m )时,由力平衡关系，机械阻抗定义和(5-6)可得:
0)(v jm f m k j
jm c v t ωω=+-+
(5-8) 令00v jm Z v f m ω==为由被测体的运动速度v 0
产生的、作用在质量块上的等效激振力。
将式(5-6)代入式(5-8)，则有:
t m f Z v f +=0
(5-9)
对磁电式传感器，其传感器常数为:*==M Bl M
设线圈电感为L 、内电阻为R ，则Z e ＝R ＋j ｌω。
如果传感器与测量电路的输入端相连，则电路输入阻抗即为传感器负载阻抗Z e0，通常Z e0=R f 。
由于传感器作测量用，电气端电源e o =0，故e ＝iZ e0=iR f。
因此实际磁电式传感器的传递矩阵为:
⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡*****e i M M Z M Z M Z Z M e i Z M M
Z v f e M e M e M 1101100101 (5-10) 或将其展开成：
e M i M Z v e M
Z i M Z Z M f e
e e M ****-=-+
=1)(
(5-11)
二.动态特性 由上(5-11)将ω0jmv f =,0/e Z e i -=及)/(m k m j c Z M -+=ω代入第一式，即可求得传感器的频率传递函数
)1)(()/()(200
000+-++-=-+++-==****
m k m j c Z Z m j MM Z M m jk m c c mZ j Z Z mZ j MM M v e j H e e e e e e e ωωωωωωω (5-12) 由于传感器的固有角频率为m k
n =ω，故式(5-12)可改写为:
⋅++++-+-=*
*
][])(1[)(000200m j Z Z MM c Z Z Z Z Z Z M j H e e e e e n e e e ωωωω (5-13)
上式为复数形式，其频率响应特性如图5.4所示。
图中S 为随频率而变的传感器灵敏度。
Bl M S c ==为传感器常数。
传感器作为电压输出时，一般e f e Z R Z >>=0，故式(5-13)可简化为:
⋅++--=
m j R Bl c Bl j H f n ωωωω/])([])(1[)(22
(5-14) 由式(5-14)和图 5.4可以看出：
(1).当被测振动体的振动频率ω低于传感器的固有频率ω，即(ω/ω)＜1时，传感器的灵敏度随频率变化而明显地变化。
(2).当被测体振动频率远高于传感器的固有频率时，灵敏度接近为一常数，它基本上不随频率变化。
在这一频率范围内，传感器的输出电压与振动速度成正比。
这一频段即传感器 图5.4 磁电式传感器的频响特性
的工作频段，或称作频响范围。
这时传感器可看作是一个理想的速度传感器。
(3).当频率更高时，由于线圈阻抗的增加，灵敏度也将随着频率的增加而下降。
必须指出，以上是对惯性式磁电传感器而言的。
对于动圈与测杆相固连的直接式磁电传感器，其上限工作频率取决于传感器的弹篑刚度k 值。
一般说来，直接式传感器频响范围可从零到几百Hz ，高至10kHz 。
一.测振传感器
磁电式传感器主要用于振动测量。
其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。
如航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。
常用的测振传感器有动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等。
二.磁电式力发生器与激振器
前已指出磁电式传感器具有双向转换特性，其逆向功能同样可以利用。
如果给速度传感器的线圈输入电量，那么其输出量即为机械量。
在惯性仪器——陀螺仪与加速度计中广泛应用的动圈式或动铁式直流力矩器就是上述速度传感器的逆向应用。
它在机械结构的动态实验中是非常重要的设备，用以获取机械结构的动态参数，如共振频率、刚度、阻尼、振动部件的振型等。
除上述应用外，磁电式传感器还常用于扭矩、转速等测量。
本章知识点
磁电式传感器的基本工作原理；传递矩阵分析动态特性的方法。
