传感器课程设计磁电式传感器测振动位移样本.doc

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湖 南 科 技 大 学

课 程 设 计

课程设计名称: 磁电感应式位移传感器
学 生 姓 名:
学 院: 机电工程学院
专 业: 测控技术与仪器
学 号:
指 导 教 师: 杨书仪 凌启辉

年 6 月 12 日
传感器、 测控电路课程设计任务书

一、 设计题目
磁电感应式位移传感器的设计

二、 设计要求
( 1) 测得位移灵敏度为
（2） 可测得频率范围为0~500Hz时, 最大加速度为10g。
（3） 可测得频率在0~600Hz、 振幅范围为时, 幅值误差为; 相位误差在50Hz时为。
（4） 工作温度为

目 录

一、 确定结构…………………………………………………………………01
二、 原始给定数据……………………………………………………………01
三、 磁电式传感器的参数设计计算…………………………………………02
四、 误差分析…………………………………………………………………10
五、 测量电路的设计…………………………………………………………12
六、 绘制测振传感器的电路图………………………………………………14
七、 附录………………………………………………………………………15
八、 参考资料…………………………………………………………………15

正 文
一、 确定结构
所选定的结构如下图1所示, 它是为测量振动用的一种磁电式传感器。

图1

二、 原始给定数据
( 1) 测得位移灵敏度为
( 2) 可测得频率范围为0~500Hz时, 最大加速度为10g。
( 3) 可测得频率在0~600Hz、 振幅范围为时, 幅值误差为; 相位误差在50Hz时为。
( 4) 工作温度为

三、 磁电式传感器的参数设计计算
1、 磁路计算
测振传感器的结构和给定空间的分配尺寸如图2所示。采用磁场分割法, 计算气隙磁导和扩散磁导值。由于铝和铜是不导磁体, 相当于空气隙一样, 图中没有画出。根据磁场分布趋势, 可将每一边的磁导近似分割成如图3所示的。两边磁路对称, 总磁

图2 、 3
导及工作点求法如下。
（1） 求总磁导。

①磁导。它是一个界面为矩形的旋转体, 是属于同心的圆柱与圆筒之间的磁导, 如图4所示。由图给定的尺寸可知

查《新编传感器技术手册》( 李科杰主编) P358表12-2得

②磁导。它是一个截面为半圆( 直径为) 的旋转体, 如图5所示
同理, 查《新编传感器技术手册》( 李科杰主编) P358表12-2得

这里取平均周长, 即=18.85cm

图4 图5
③磁导。它是一个截面为半空心圆的旋转体, 如图6所示。
查《新编传感器技术手册》( 李科杰主编) P358表12-2得

这里取平均周长, 取, 则

图6 图7
④扩散磁导为

⑤总磁导为

（2） 求工作点。利用总磁导和去磁曲线, 用作图法找到工作点。
选用国产铝镍钴永磁合金作永磁材料, 其它的去磁曲线和能量曲线如图7所示。

其中

解得。作出角与去磁曲线的相交点即为工作点。由图8可知, 在点处的。
2、 线圈设计及灵敏度估算
线圈设计的根据是: ①满足给定灵敏度的要求; ②满足线圈电阻与负载电阻的匹配; ③线圈散热; ④磁场反应等问题。
( 1) 线圈的设计。取线圈直接绕在骨架上, 绕完后再包两层厚的电容纸, 两种线圈均用漆包线, 其裸导线直径, 绝缘导线直径, 工作线圈最大匝数估算如下。
①工作线圈最大匝数为

式中

则

②补偿线圈最大匝数

③实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为

补偿线圈的感应电动势为

为达到完全补偿, 使, 则,设计时取匝, 匝。
( 2) 灵敏度的估算。线圈的感应电势为, 则其有效值为

总电动势

即

图8
由图8得

每匝线圈的平均长度为

则

因此, 传感器的灵敏度为

如果设计技术指标给出了灵敏度的要求, 可先根据灵敏度的要求, 用相反的方法去试凑线圈的匝数, 经多次计算, 确实达不到要求时, 就要改变磁路尺寸, 这样重复多次直到满足为止。
3、 传感器的固有频率及阻尼度的初步估算
幅频特性

本设计技术指标要求: 待测频率为时, 允许幅值误差为; 相位误差在50Hz时为。由幅频特性可知: 当取时, , 即能满足, 因此初步选定

由, 于是得。
4、 传感器的刚度和弹簧设计
（1） 刚度的计算。传感器的刚度要考虑满足的要求, 也要保证弹簧在垂直工作时, 不至于产生过于严重的静绕度。
设为传感器运动部分的总重量。根据各零件的尺寸和所用材料的比重, 可求的活动部分的总重量=0.28N, 则的值为

静绕度为

对于各种板簧, 常常允许绕度限于, 本设计测量振幅范围为, 故弹簧片得最大绕度为

显然, 这个值太大了, 因此这个设计是不合理的。应给与适当补偿。现取, 则刚度为

由

故

（2） 弹簧的设计。本设计采用的弹簧片的结构如图9所示。

图9 图10
5、 阻尼系数的计算
电磁阻尼器的结构如图10所示。
阻尼筒采用铝材料, 壁厚为。
阻尼筒中感应电动势为

其中

式中 为阻尼筒平均长度, 且有

为阻尼筒运动速度( cm/s) ;
为阻尼筒电阻, 且有

由该电动势产生的电流为

由电动势产生的电流受磁场作用的洛伦兹力为

从而得到相对阻尼度为

6、 频率特性的计算
（1） 幅频特性为

( 2) 相频特性

曲线分别如图11,12

四、 误差分析
传感器的误差分为稳态误差和动态误差, 对于有规律的周期性振动, 只要考虑稳态误差就能够了。
根据技术指标要求, 对幅值、 相位和温度误差分别分析计算如下。
1、 幅值误差
在频率为的范围内幅值误差为, 而, 计算所得, 因, 故满足要求。
2、 相位误差
由想频特性可知: 在50Hz时, , 对周期振动的可视为待测波形向后移过角, 则相位差, 因此不满足50Hz时的要求, 需经过电路对相位进行校正。
3、 温度误差
( 1) 温度对刚度的影响。因平板弹簧片无计算公式, 但能够借助悬臂梁的刚度公式近似估算。
悬臂梁的刚度, 惯性矩为

因此得

因此

当有温度变化时, 则有

式中 为弹性模量的温度系数,
为材料的膨胀系数, 其值为。
设为标准温度。
当工作温度为时, , ;
当工作温度为时, 。
（2） 温度正确影响。根据, 得

由于温度的变化不影响质量的变化, 故, 则

当时, ;
当时, 。

五、 测量电路的设计
测量电路方框图如图13所示。
（1） 积分电路设计

图13

对数幅频特性为

如图14, 积分电路的传递函数为

图14
相频特性为

理想积分环节的传递函数为

对数幅频特性为

相频特性为

对于实际电路应该有

若取积分误差, 则有

即。
若电路为通频带, 取, 为了满足低频的要求, 应取Hz, 计算得, 取, 则

为了使信号不致衰减太严重, 取, 。

六、 绘制测振传感器的电路图
电路框图如下

图15

七、 附录
1、 装配图( 1张)
2、 零件图( 1张)
3、 测控电路( 1张)

参考文献:
[1] 传感器( 第4版) .机械工业出版社. .1
[2] MATLAB程序设计教程. 中国铁道出版社, .6
[3] 传感器设计基础( 课程设计与毕业设计指南) . 国防工业出版社, .9
[4] 新编传感器技术手册.国防工业出版社, .1