pgl传感器设计正文

1、工程测试基础设计说明书题目：动圈式磁电传感器设计姓名： 屈云开 学号： 26 班级： A 0821 专业： 测控技术与仪器 学院：机械与材料工程学院指导老师： 王元生 2011年5月目录 序言 2一、系统分析 （一）工作原理 3 （二）运动特性分析 3二、结构设计 （一）确定结构 5 （二）原始数据 5 （三）磁电式传感器的参数设计计算 1）磁路设计计算 6 2）线圈设计、灵敏度校核7 3）固有频率计算 8 4）弹簧设计8 5）阻尼系数计算 9 6）幅值误差计算 10三、设计总结11四、参考文献12序言 传感器的基本功能是获取被测量并将其转换成可用量，在传感器输出与输入的转换过程中，总是希望能

2、够按照一定的规律进行转换。因此，在设计任何一种传感器时，必须首先求出输出与输入量值之间的关系式及其特性，以便于知道设计、制造和应用。 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101000Hz。 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N匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势随磁通变化率的变化而变化。 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。 为了保证传感器输

3、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。 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。一、系统分析 一）工作原理 （1）磁电式传感器的工作原理是基于电磁感应定律的基础上，将机械量转换成线圈的感应电势，而不需要外加电源，可直接将机械量转换为电信号。对动圈式磁电传感器，被测体振动时，此时线圈、阻尼器和芯杆为整体，由于惯性不和它一起运动，因此壳体（永磁铁）与线圈间就产生相对运动，线圈切割磁场线，而产生感

4、应电动势，其大小为： e=NBl0sin= NBl0 vsin (1-1)式中：N线圈匝数 B工作气隙感应强度 l0线圈导线平均长度 v线圈与磁场相对运动速度 （2）灵敏度公式： Sv= NBl0 sin (1-2) 但当=90o时有 Sv= NBl0 (1-3) 由(1-2)、(1-3)可知： 感应电势与线圈速度成正比； 但结构确定之后，速度灵敏度为常数； 二）运动特性分析 若将惯性质量块m、弹簧刚体k、阻尼器c视为集中参数，则可将振动传感器简化为一个二阶运动系统，如图1所示： 二阶运动系统的运动方程为： + (1-4) 对(1-4)式进行拉普拉斯（Laplace）变换得到表征输入与输出的传

5、递函数，即 = = = (1-5) 其中：=为系统无阻尼频率（传感器固有频率）； =为相对阻尼比； 令s=j代入（1-5）式，得频率传递函数为：图1 (1-6) 频率特性为： = (1-7) 式中：u=/0 相频特性为：（）= (1-8) 由式(1-7)、(1-8)可知： 当u=/0>>1,即>>0时一般只要/0>=3时,就可得到x/y=1，即 |H(j)|=1，满足输入等于输出； /0>=3时，（）=180o； 理想的固有频率0<=/3，即理想固有频率低于测量频率的；二、结构设计 （一）确定结构 所选的结构参见下图，它是测量振动用的一种磁电传感器：

6、磁电式振动传感器的结构原理图 1-弹簧片 2-阻尼器 3-永磁体 4-心轴 5-外壳 6-线圈 7-引线 （二）原始给定数据 （1）要求设计传感器灵敏度： Sv=700mv·s· （2）频率测量范围： 20600Hz （3）允许的幅值误差： % （三）磁电式传感器的参数设计计算图2 1）磁路设计计算 测振传感器的结构和给定空间的分配时如图2所示： 采用磁场分割法，计算气隙磁导G和扩散磁导Gp值。由于铝与铜是不导磁体，相当于空气隙一样，图中没用画出。根据磁场分布趋势，可将每一边的磁导近似的分割成图3所示的G1、G2、G3、G4、G5、G6。(1) 求总磁导，由总磁导公式得到：

7、 （1）分别计算如下： 磁导G1：它是一个截面为矩形的旋转体，是属于同心的圆柱与圆筒之间的磁导。 易知： ； ； ； 查手册可知：G1= 磁导 G2：它是一个截面为半圆直径为的一个旋转体，相当于半圆柱。 查手册可知：G2=0.26l0 ,其中,于是有 磁导G3:它是一个半空心圆的旋转体，相当于圆柱壳。 查手册可知：G3=,这里， 则: G3= 近似求G4、G5、G6：由于磁场上下对称近似取： G4+G5+G6 G2+ G3=8.75 10-8H 总磁导为： 漏磁系数Ka=1.39 （2）求工作点M： 磁铁材料选择国产铝镍钴24永磁合金作永磁材料，它的去磁曲线和能量曲线图参考手册即相关资料：式中

8、： ) = 则： 即：； 作出角与去磁曲线的向交点，即为工作点M：可得 （3）求工作气隙B的值，由 , 气隙主磁通路径上的截面积 则气隙磁感应强度为 2）线圈设计、灵敏度校核 取线圈直接绕在骨架上，绕完之后包二层0.015mm厚的电容纸，采用47漆包线，其裸导线直径d=0.05mm。 （1）线圈的长度的确定：L=1.3(lg+lp)=1.3（12+1.5）=19.5mm， 这里L取20mm，即L=20mm； （2）匝数的确定：设 d-导线的直径； f1-利用系数，f1=0.95； N0-每层匝数； 则由： f1L= N0d， N0=匝。 （3） 灵敏度估算匝数：由于输出的是交流电，则： 其中：

9、 推出： 匝 （4）估算线圈层数： 由 层 所以总匝数位： 匝 工作气隙中线圈匝数： 匝 灵敏度校核： =满足条件。 3）固有频率计算 (1-7) 由（1-7）式知： 当=0.7，=2时，能满足幅值误差为：% ，初步选定，为上值； 由，。 4)弹簧设计 （1）G为传感器运动部件的总质量，活动部件包括心轴，阻尼杯，骨架，线圈等零件，假设G=0.4N， 则：弹簧刚度弹簧片的静绕度为:弹簧片的最大绕度：这值太大了，选取，则刚度为， （2）测振传感器的弹性元件一般采用平板弹簧片，并在簧片上按需要开成个种形式的槽，其目的就是提高柔性以提高工作的平稳性。本设计采用的簧片的结构如图4；这种簧片没有现成的计算

10、公式，只有采用实验的方法进行估算。 图5 阻尼杯 5）阻尼系数计算： 阻尼杯采用铝材料，壁厚为t=1.5mm。阻尼器的结构如图5所示；下面计算阻尼系数 阻尼杯感应电势为： 其中：Bcp取：=；f为系数这里取f=1.8； l：为阻尼杯平均长度有； v： 为阻尼杯的平均速度； ：为阻尼杯的宽度； R： 为阻尼杯的电阻 ； 该电势产生的电流：， 由感应电势产生的电流受到磁场的作用，产生洛伦兹力F为： 由F=Cv,得到： 则相对阻尼度为： 由上可知：相对阻尼比=0.669，在0.60.7之间符合要求。 6）幅值误差计算 由相频特性曲线如图6可知： A()=， 当=0.669，=80s-1 ，A()=

11、99.5%，误差,故满足技术要求。 （三） 设计总结通过本次课程设计，让我熟悉了传感器的一般结构，并掌握了简单传感器的设计方法。在与同学们的讨论中发现问题并及时解决问题，这些使我们相互之间的沟通协调能力得到了提高，团队合作精神也得到了增强，使我更深切地感受到了团队的力量。设计往往离不开自己的阅历，经验的积累固然可以从书本上学到不少，但是事非躬亲很难在脑海中留下深刻的印象，对别人的经验，自己没有一定的基础，要理解吸收真的是一件很不容易的事。在这次作业过程中,我遇到了许多困难,一遍又一遍的计算,一次又一次的设计方案修改这都暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。  尽管这次作业的时间

12、是漫长的，过程是曲折的，但我的收获还是很大的。不仅初步掌握了动圈式磁电传感器的设计步骤与方法，而且对Auto CAD制图有了更进一步的掌握。Auto CAD ，Word，画图，Matlab等这些软件不仅仅是工具软件,熟练掌握运用也是必需的。对我来说，收获最大的是做设计的方法和能力，以及那些分析和解决问题的方法与能力。在整个过程中,我发现像我这样的学生最缺少的是经验，没有理性的认识，空有理论知识，有些东西很可能与实际脱节。总体来说，我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来，从中暴露出自身的不足,以待改进。（四）参考文献【1】 邹继斌，刘宝廷等著。磁路与磁场。哈尔滨工业大学出版社。1998年。P51P76；【2】 马文蔚，东南大学等著七所工科院校。物理学。高等教育出版社。2006年。P234P286；【3】 熊诗波，黄长艺著。机械工程测试技术基础