磁电式传感器测振动位移.

课程设计名称： 学生姓名： 学院:专业及班级: 学号:指导教师：南科技大学课程设计传感器课程设计机电工程学院测控技术与仪器1班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 700mV cm 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 m 1mm时，幅值误差 为5% ;相位误差在50Hz时为10。（4）工作温度为 10C80 C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 01四、误差分析08五、测量电路的设计11六、绘制测振传感器的电路图 12七、附录 12八、参考资料 13正文、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Sx 700mVcm 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 m 1mm时，幅值误差为 5% ;相位误差在50Hz时为10。（4）工作温度为 10 C80C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 G和扩散磁导Gp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G、G2、g3。两边磁路对称，总磁导G及工作点M求法如下。（1） 求总磁导G。1 G G1 G2 G3 磁导Gi。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33mm21.65cm27mm21.35cmR r 0.3cm查新编传感器技术手册（李科杰主编）P358表12-2得G2 o11ln旦r82 314 725 10 27 4 10 8H ,1.65ln1.35G1G1213.7 10 8H 磁导G2。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G2 2G 2 0.261 o这里丨取平均周长，即I 2 R r /2=18.85cmG212.25 10 8 H图4图5 磁导G3。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G3 2G 22I 0这里I取平均周长，取m 1.6 ，则10 8H图6图7 扩散磁导Gp为GpG213.45 10 8 H总磁导G为G G Gp 27.15 10 8H(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。选用国产铝镍钻永磁合金作永磁材料，其Br 12300Gs,Hc 500T，它的去磁曲线和能量曲线如图 7所示。(1Gs 104T;1Oe 103(4 ) 1A/m)mH 1 mtanGmB Am其中G G 27.15 10 8Hlm 0.4mAm(0.0222 0.0062) 0.0014m22 6mH 10 Oe 10 mB 103Gs 4解得 80.79。作出 角与去磁曲线的相交点即为工作点 M。由图8可知，在M点处的 Bm 12000Gs,Hg 200Oe。2、线圈设计及灵敏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，绕完后再包两层0.015mm厚的电容纸，两种线圈均用47#漆包线，其裸导线直径d 0.05mm ,绝缘导线直径d1 0.65mm，工作线圈最大匝数N工作估算如下。 工作线圈最大匝数为kg式中a hAhkh 2 0.015 1.47mm(取hk 1.45mm)lk 15,kg0.35则4 1.45 15N 工作 0.3523850 匝0.052 补偿线圈最大匝数4 1.45 15N 补 0.3523320匝0.05 实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为er作BhN110补偿线圈的感应电动势为e补B2 N 210为达到完全补偿，使e工作 e补，则N2 0.792N1,设计时取 汕 3000匝，N2 2380匝(2)灵敏度的估算。线圈的感应电势为e Bl1N1，则其有效值为E e有效BI1N1总电动势BpNp li103200 1400 1000 16009.610 8414mVcm由图8得N30007151400, Np 3000 14001600每匝线圈的平均长度为l130.599.6cm则B NBpN p hEEEp、2所以，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本设计技术指标要求：待测频率为20Hz 600Hz 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0.6 时，/ 01.8，即能满足x/x05%，因此初步选定-2, 0.602062.8（ f下 20Hz），于是得 f0 10Hz。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f0 f下13(本例为f0 f下 /2)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=0.28N,则K的值为202wK 0.113N /mmm g静绕度为r W 0.28f2.5mmK 0.113对于各种板簧，常常允许绕度限于1mm 25mm，本设计测量振幅范围为 5 m 1mm， 故弹簧片得最大绕度为f f 12.5 1 3.5mm2mm，则max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 刚度为0.14 N / mm0.14 9800、0.2870sf0f 11.2HZ(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0.17cm o阻尼筒中感应电动势为320010002100 10 4T2式中l为阻尼筒平均长度,且有28.3 31.79.42cm为阻尼筒运动速度cm/s);R为阻尼筒电阻，且有106詩鳥 1.7104由该电动势产生的电流为由电动势e且产生的电流受磁场作用的洛伦兹力 Pd为Fd 2.41 10 10N从而得到相对阻尼度为3c 2.41 102 0m 2 70 280.646、频率特性的计算(1)幅频特性为2(2)相频特性arcta n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5%，而，计算所得1.5%，因在频率为20Hz 600Hz的范围内幅值误差为，故满足要求 2、相位误差由想频特性可知：在50Hz时，16320，对周期振动的可视为待测波形向后移过角,则相位差16320，所以不满足50Hz时2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 3EI /I3，惯性矩为ibh312所以得33Ebh12l3AEbh3所以当有t温度变化时，则有式中E为弹性模量的温度系数,设tob b3亍10 4 /为材料的膨胀系数，其值为20 C为标准温度。40.176 10 /当工作温度为 t10 C 时，t 10 C 20 C 30 C， K/K 1.2% ；当工作温度为t 80 C时， K/K 2.4%。（2）温度对0的影响。根据0. K / m，得当 t 10C 时，一0丄(1.2%)20.6% ;当 t 80 C 时，一01.2%。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xe图13如图14,积分电路的传递函数为H(j )1 j RG对数幅频特性为L( ) 20lg2(R1C1)0C730ei。二eoRi图14相频特性为arctan RIC1理想积分环节的传递函数为H(j )j R1C1对数幅频特性为相频特性为对于实际电路应该有L( ) 20lg R61RiG若取积分误差1%，则有Hi(j )| |H(j )|Hi(j )RQ11R1C11竺-冬1%1 R1C1R1C199R1C1计算得若电路为通频带，取f 10Hz1000 Hz，为了满足低频的要求，应取 f 10Hz,9962 fc，取 R1 1M =106 ，贝URGC11.57 F为了使信号不致衰减太严重，取 R 2M ，G 2 F六、绘制测振传感器的电路图电路框图如下图15* 示波器七、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 .2011.12 MATLAB 语言程序设计教程 . 中国铁道出版社， 2006.62007.93 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，4 新编传感器技术手册 .国防工业出版社， 2002.1