磁电式传感器测振动位移

1、湖南科技大学课程设计课程设计名称：传感器课程设计学生姓名：学院： 机电工程学院专业及班级：测控技术与仪器1班学号：指导教师：2016年 6月 6 日传感器、测控电路课程设计任务书一、设计题目磁电式测振传感器的设计二、设计要求(1) 测得位移灵敏度为sx = 700wVcm'1(2) 可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10g。(3) 可测得频率在0600Hz、振幅范围为±5“加±1伽时，幅值误差 为±5%；相位误差在50Hz时为10'。工作温度为-10 C80°C一、确定结构01二、原始给定数据01磁电式传感器的参数设计计算010

2、8五、测量电路的设计11四、误差分析12七、附录12八、参考资料13六、绘制测振传感器的电路图%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。二、原始给定数据（1）测得位移灵敏度为乂 = lOOmVcm-1（2）可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10g。（3）可测得频率在0600Hz、振幅范围为±5pm"时，幅值误差为±5%；相位误差在50Hz时为10'。（4）工作温度为10°C80°C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，讣算气隙磁导

3、 G“和扩散磁导q,值。由于铝和铜是不导磁体，相当于空气隙一样，图中没有画岀。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G、G?、G3o两边磁路对称，总磁27图2、3导G及工作点M求法如下。（1）求总磁导G。G = -（Gl +G2+G3） 磁导q。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。山图给定的尺寸可知R = mm = 1.65cm 227r = mm = 1.35cm 26 = R-r = 0.3cm查新编传感器技术手册（乍科杰主编）P358表122得2x3.14x0.7x1.25x10= 27.4x10/7= 13.7x10/7 磁导它

4、是一个截面为半圆（直径为5）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122得这里/取平均周长，即/ = 2兀（/? +厂）/2=18.85cmG2 =12.25x10-8/7图4图5 磁导q。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122得这里/取平均周长，取/h = 1.6J,则图6图7扩散磁导q为 总磁导G为G = Gj+G“=2715x10Y/7(2)求工作点M。利用总磁导G和去磁曲线，用作图法找到工作点M。选用国产铝银钻永磁合金作永磁材料，其E = 12300G£,H, =5007；它的去磁曲线和能

5、量 曲线如图 7 所示。(lGs = lOTJOe = 103(4)_1 A/m)tan a =GMmB An其中=6 = 27.15x10/7lm = 0.4/hA” = -(0.0222 -0.0062) = 0.0014/n2mH _ 02Oe _ 106 叫 IO3 Gs 4龙解得a = 80.79。作出&角与去磁曲线的相交点即为工作点M。山图8可知，在M点处 的 Bm = 12000G&= 2000e。2、线圈设计及灵敬度估算线圈设计的根据是：满足给定灵敏度的要求；满足线圈电阻与负载电阻的匹配； 线圈散热；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

6、再包两层0.015“厚的电容纸，两种 线圈均用47"漆包线，其裸导线直径=0.05期，绝缘导线直径=0.65皿，工作线圈最大 匝数作估算如下。工作线圈最大匝数为式中A =臥hk = h-2x 0.015 = 1 47”(取= 1 A5mm) lk = 15,忍=0.35补偿线圈最大匝数N工作= 0.354 x 1.45 x 15r0.052心3850匝心=0.3510.052a 3320匝实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为fr =B/1xlO-8补偿线圈的感应电动势为e=BJ2N2uxO为达到完全补偿,使£工作=e补，则N2 = 0.792",设计时取N

7、严3000匝,霭=2380匝。（2）灵敬度的佔算。线圈的感应电势为e = BhN、u,则其有效值为BLNy总电动势即E = E+Ep图8山图8得Nj = 3000 x 丄 n 1400, Np = 3000 -1400=16001 5每匝线圈的平均长度为1、=兀 x 30.59 = 9.6cm则E®Ep疋所以，传感器的灵敬度为jE_（BdNd+BpN）ixE _'=Xy/2（3200 x 1400 +1000 x 1600） x 9.6 s.=Lx 10=414/7? V.cnr如果设讣技术指标给出了灵敏度的要求，可先根据灵敬度的要求，用相反的方法去试凑线圈 的匝数，经多次计

8、算，确实达不到要求时，就要改变磁路尺寸，这样反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A（0）=本设计技术指标要求：待测频率为20处600欣时，允许幅值误差为±5%;相位误差在50Hz时为10。由幅频特性可知：当取歹= 0.6时,。/% = 1.8,即能满足x,/x0=±5%f因此初步选定co一 =2,歹=06由 <y() =二;'=龙X 20 = 62.8(/卜=20Hz.),于是得九=10Hz。2 24、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人3/卜/3（本例的要求，也要保证 弹簧在垂直工作时，不至于产生过

9、于严重的静绕度。设W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W二0. 28N,则K的值为77. rK = =一 aO113N/M静绕度为对于各种板簧，常常允许绕度限于nrni25",本设计测量振幅范圉为±5pm ±mm, 故弹簧片得最大绕度为厶=心 +1 = 2.5 +1 = 3.5 nun显然，这个值太大了，所以这个设计是不合理的。应给与适当补偿。现取= 2mm，则刚度为（2）弹簧的设计。本设计采用的弹簧片的结构如图9所示。图105、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O17g阻尼筒中感

10、应电动势为em=BqJux(V)其中= 4 = 3200 + 1000 = 2100x10+式中/为阻尼筒平均长度，且有u为阻尼筒运动速度(cm/s)；R为阻尼筒电阻，且有宀4曲晋亠"7"曲。山该电动势产生的电流为/ = em / RIII电动势如产生的电流受磁场作用的洛伦兹力Pd为乌=2.41x10"°“从而得到相对阻尼度为=2.41x10- =Q642© 严 2x70x286、频率特性的计算（）幅频特性为co（2）相频特性CD曲线分别如图11,12/ 、3(p(co) = - arctan四、误差分析传感器的误差分为稳态误差和动态误差，对于

11、有规律的周期性振动，只要考虑稳态误差 就可以了。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20&600念的范圉内幅值误差为J = ±5%,而，计算所得J =1.5%,因/<»,故满足要求。2、相位误差山想频特性可知：在50Hz时，163 20',对周期振动的可视为待测波形向后移过兀角， 则相位差0 = -163 20 ,所以不满足50Hz时10的要求，需通过电路对相位进行校正。3、温度误差（1）温度对刚度K的影响。因平板弹簧片无计算公式，但可以借助悬臂梁的刚度公式近 似估算。悬臂梁的刚度K = 3EIH惯性矩为z h

12、h312所以得3Eblr3K = = AEbli12/3所以AK AE/=+ 3一3K E b h I当有銜温度变化时，则有= akAt + aQ + 3anAr 一 3a, ArK式中 乙为弹性模量的温度系数，5=-4xl（TVC为材料的膨胀系数，其值为O.176X1O-1 /Co设4=20 C为标准温度。当工作温度为 t = -10C 时，/ = _1OC 2OC = 3OC, A/C/K = +1.2%；当工作温度为/ = 80 C时，A/C/K = -2.4%。（2）温度对5的影响。根据q=jK/加,得5 1 K+1 Ain52 K2 m山于温度的变化不影响质量川的变化，故A/n =

13、O,则当 r = 10 C 时，込=丄(+12%) = +06%； 珂 2当 t = 80 C 时,也=丄(-2.4%) =-1.2% o5 2五. 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e-x图13如图14,积分电路的传递函数为1 + jcoRxC对数幅频特性为Uco)= -20 lg Ji+srg)2图14相频特性为理想积分环节的传递函数为(P(CD)= -arctan e尽 q对数幅频特性为L(co) = -20 lg coRlCl相频特性为心）=牙对于实际电路应该有1CD>CD=若取积分误差5S1%,则有1 1s =冏（沟）|一片（沟）| =哪G 1 + 0&G = _ e&G% |i（»|1 +哪 G°coRxC即 ty>22_o若电路为通频带，取/ = 10/1000也，为了满足低频的要求，应取/ = 10Hz,计算得99丄coe=27rfc> ，取=1MQ=1O6Q,贝ijRCG