项目6 速度及加速度检测——磁电式速度传感器测量转速一、教学目的与要求1．理解磁电感应式传感器的工作原理。
2．掌握磁电感应式传感器的特性。
3．掌握磁电感应式传感器的结构形式 4．掌握磁电感应式传感器的转换电路 5．理解磁电感应式传感器的的各种应用原理。
二、教学重点与难点（一）重点： 磁电感应式传感器的工作原理 磁电感应式传感器的基本特性 磁电感应式传感器的测量电路（二）难点：磁电感应式传感器的非线性误差分析与温度误差分析。
三、教学工具 多媒体 磁电感应式传感器 四、课时安排 理论4学时，实践2学时 五、教学过程一、磁电式传感器工作原理1、原理：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d Φ/dt 有如下关系：2、分类：变磁通式和恒磁通式。
即动圈式传感器和磁阻式传感器。
动圈式磁电感应式传感器:这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度,还可以用来测量位移或加速度。
由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。
（1）动圈式磁电感应式传感器可以分为线速度型和角速度型等。
如下图所示。
重难点解决方案：在课堂教学中通过合理的提问、举例、对比分析来突出重点、突破难点。
（2）磁阻式传感器：又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。
可分为开路变磁通式传感器和闭合磁路变磁通式传感器。
变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。
但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。
图5-1是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。
图5-1（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，随之一起转动。
每转动一个齿，齿轮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。
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。
图5-1（b）为闭磁路变磁通式，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。
感应电势的频率与被测转速成正比。
图5-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图图5-2 恒磁通式磁电传感器结构原理图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（如图5-2（a ））和动铁式（如图5-2（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:E=-B0Lwv式中：B0——工作气隙磁感应强度； 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。
二 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中，磁电传感器的输出电流I 为: 式中：00f fB Lwv EI R R R R ==++提问：这两种磁电式传感器各适用于什么场合？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:而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为:当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、 机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。
相对误差为磁电式传感器在使用时存在误差，主要为非线性误差和温度误差。
1) 非线性误差 磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流I 流过时，将产生一定的交变磁通ΦI ，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化如图5-3所示。
图5-3 传感器电流的磁场效应00(54)I f I B Lw S v R R ==-+000(55)ff f B LwvR U I R R R ==-+00(56)f U fB LwR U S v R R ==-+(57)I I ds dB dL dR s B L R γ==+--2）温度误差 当温度变化时，式（5-7）中右边三项都不为零，对铜线而言每摄氏度变化量为dL/L ≈0.157×10-4，dR/R ≈0.43×10-2，dB/B 每摄氏度的变化量取决于永久磁铁的磁性材料。
对铝镍钴永久磁合金，dB/B ≈-0.02×10-2，这样由式（5-7）可得近似值：这一数值是很可观的，所以需要进行温度补偿。
补偿通常采用热磁分流器。
热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。
它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。
三、 磁电感应式传感器测量电路图5-4 磁电感应式传感器测量电路方框图 磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，不需要高增益放大器。
但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。
图5-4为一般测量电路方框图。
磁电感应式传感器测量电路位移、速度和加速度测量电路如上图所示。
四、应用实例()4.5%10t C γ︒≈-提问：经过上述分析，是总结磁电式传感器的特点！1、直流测速电机。
直流测速电机原理如图所示。
输出电势的极性反应旋转方向，输出电压大小U 为：Le R r n C U 01+=φ2、 交流测速电机交流测速电机有同步式和异步式，图为空心杯转子异步测速电机。
转子随被测旋转体以转速n 转动时，产生电势为：3、 电磁脉冲式转速计电磁脉冲式转速计是一种数字式仪表。
结构形式如图所示。
图（a ）为旋转磁铁型，若其输出量以感应电动势的频率表示，则频率f 与转速n 间的关系式为：图（b ）是由于磁路磁阻的变化，使测量线圈上就有相应的脉冲输出。
图（c ）是由于磁路磁势的变化，使测量线圈上有相应的脉冲输出。
六、课后总结1、磁电感应式传感器的的工作原理。
2、磁电感应式传感器的特性。
3、磁电感应式传感器的典型应用举例。
φn C E 11=提问：请同学们总结一下，我们这节课都学习了哪些主要内容？七、布置作业阐明磁电式振动速度传感器的工作原理，并说明引起其输出特性非线形的原因。
八、实训任务（一）题目：磁电传感器用于机床转轴的转速检测（二）任务：在各种车辆的运转、机械设备的运行中，都需要对转速进行检测。
1、测出闭磁路式的最低下限工作频率和开磁路式的最低下限工作频率及传感器输出的波形。
2、调整转速时记录磁电式转速度传感器输出电压幅值。
（三）目标要求:1、掌握磁电传感器的特点和用途；2、学会磁电式传感器测量电路的设计；3、掌握选用这类传感器的方法和要点；4、进一步提高锡焊技能；5、进一步提高检测电路调试能力；第12卷第4期2000年12月江苏石油化工学院学报JOURNAL OF J IAN GSU INSTITU TE OF PETROCHEMICAL TECHNOLO GYV ol112No14Dec12000文章编号:1005-8893(200004-0062-03单片机在磁致伸缩线性位移传感器中的应用Ξ叶明超(江苏省无锡交通学校,江苏无锡214151摘要:以磁致伸缩原理为基础,利用单片计算机对位移量进行精确的测量,且可以通过按键校准磁致伸缩线性位移传感器的零位和满量程,并使用单片计算机标准串行口经TTL/485电平转换,输出所测量的位移量数据的方法,使得该类型磁致伸缩线性位移传感器操作简单、互换性好、有效传递测量的数字量数据达1km以上。
关键词:单片机;磁致伸缩;传感器;波导管中图分类号:TP21216;TP212112文献标识码:A引言磁致伸缩原理是由科学家James Prescott Joule 于1842年发现,1940年磁致伸缩技术首次成功地应用在潜艇声纳探测距离系统上,1960年美国人Jack Tellerman首次向美国申请了磁致伸缩位移传感器的专利权。
八十年代开始磁致伸缩位移传感器在发达逐步得到广泛的应用,近年来大量进口的磁致位移传感器正走进我国的许多行业,磁致伸缩位移传感器以其长距离测量、高精度、稳定性好正受到包括油田、炼油厂、工业控制、化工、造纸,制药、油库等行业越来越多用户的欢迎。
但这种磁致伸缩位移传感器的测量电路是由数字电路组成,存在校准烦琐(需用6只电位器调整、互换性差、还需昂贵的A/D转换设备(4mA~ 20mA输出才能得到测量的数字量数据等不足之处。
本文讨论的是在美国M TS系列磁致伸缩线性传感器的基础上,利用其磁致伸缩的原理,应用单片机及其外围电路精确测量、传输长距离位移量的方法及应用。
1传感器结构原理磁致伸缩位移传感器由外壳,不锈钢测杆、波导线(磁致伸缩线、可移动的磁铁环及计算机电子部件所组成,见图1。
图1磁致伸缩位移传感器结构原理示意图磁致伸缩位移传感器是磁致伸缩原理的一种应用,它是利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号,然后计算这个信号被探测所需要的时间,从而换算出准确的位置。
这两个磁场一个来自于传感器外面的移动磁铁,另一个来自于传感器内波导管的计算机发出的电流脉冲当两个不同磁场相交时所产生的一个应变脉冲会以固定的速度运行到电子部件的测量头,通过测量发出电流脉冲一刻到接收到应变脉冲所需的时间乘以这一固定速度,就能算出磁铁的准确位置。
这个过程是不断进行的,所以每Ξ收稿日期:2000-09-27作者简介:叶明超(1964-,女,安徽铜陵人,讲师。
当磁铁被带动时,新位置很快就被测出来[1]。
由于输出信号是一个绝对位置的输出量,而不是比例放大信号,所以不存漂移,因此出厂前标定后不需要象其他传感器一样定期重新标定和维护,见图2。
图2磁致伸缩位移传感器信号原理示意图2电路设计原理211硬件结构传感器的电路是由敏感元件头,接收电路,参数校正输入电路,计算机处理电路,显示电路,测量参数输出电路等组成,见图3。
图3电路硬件结构框图212电路原理21211敏感元件头结构:包括波导电流脉冲发生器,应变脉冲转换器;功能:发送波导脉冲,并接收张力脉冲。
21212信号整形电路结构:包括测量运算放大器,光电耦合器;功能:测量放大信号整形后送计算机。
21213参数校正输入电路结构:包括MAX25C045,键盘,选择开关;功能:传感器的零位、满量程调整及波导电流脉冲、应变脉冲传递速度设定和参数存储。
