磁電式傳感器測振動位移

1、湖南科技大學(xué)課程設(shè)計課程設(shè)計名稱：傳感器課程設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)及班級：測控技術(shù)與儀器1班學(xué)號：指導(dǎo)教師：2016年 6月 6 日傳感器、測控電路課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目磁電式測振傳感器的設(shè)計二、設(shè)計要求(1) 測得位移靈敏度為sx = 700wVcm'1(2) 可測得頻率范圍為0500Hz時，最大加速度為10g。(3) 可測得頻率在0600Hz、振幅范圍為±5“加±1伽時，幅值誤差 為±5%；相位誤差在50Hz時為10'。工作溫度為-10 C80°C一、確定結(jié)構(gòu)01二、原始給定數(shù)據(jù)01磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計計算010

2、8五、測量電路的設(shè)計11四、誤差分析12七、附錄12八、參考資料13六、繪制測振傳感器的電路圖%確定結(jié)構(gòu)所選定的結(jié)構(gòu)如下圖1所示，它是為測量振動用的一種磁電式傳感器。二、原始給定數(shù)據(jù)（1）測得位移靈敏度為乂 = lOOmVcm-1（2）可測得頻率范圍為0500Hz時，最大加速度為10g。（3）可測得頻率在0600Hz、振幅范圍為±5pm"時，幅值誤差為±5%；相位誤差在50Hz時為10'。（4）工作溫度為10°C80°C三、磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計計算1、磁路計算測振傳感器的結(jié)構(gòu)和給定空間的分配尺寸如圖2所示。采用磁場分割法，訃算氣隙磁導(dǎo)

3、 G“和擴(kuò)散磁導(dǎo)q,值。由于鋁和銅是不導(dǎo)磁體，相當(dāng)于空氣隙一樣，圖中沒有畫岀。根據(jù)磁 場分布趨勢，可將每一邊的磁導(dǎo)近似分割成如圖3所示的G、G?、G3o兩邊磁路對稱，總磁27圖2、3導(dǎo)G及工作點M求法如下。（1）求總磁導(dǎo)G。G = -（Gl +G2+G3） 磁導(dǎo)q。它是一個界面為矩形的旋轉(zhuǎn)體，是屬于同心的圓柱與圓筒之間的磁導(dǎo)，如圖4所示。山圖給定的尺寸可知R = mm = 1.65cm 227r = mm = 1.35cm 26 = R-r = 0.3cm查新編傳感器技術(shù)手冊（乍科杰主編）P358表122得2x3.14x0.7x1.25x10= 27.4x10/7= 13.7x10/7 磁導(dǎo)它

4、是一個截面為半圓（直徑為5）的旋轉(zhuǎn)體，如圖5所示同理，查新編傳感器技術(shù)手冊（李科杰主編）P358表122得這里/取平均周長，即/ = 2兀（/? +廠）/2=18.85cmG2 =12.25x10-8/7圖4圖5 磁導(dǎo)q。它是一個截面為半空心圓的旋轉(zhuǎn)體，如圖6所示。查新編傳感器技術(shù)手冊（李科杰主編）P358表122得這里/取平均周長，取/h = 1.6J,則圖6圖7擴(kuò)散磁導(dǎo)q為 總磁導(dǎo)G為G = Gj+G“=2715x10Y/7(2)求工作點M。利用總磁導(dǎo)G和去磁曲線，用作圖法找到工作點M。選用國產(chǎn)鋁銀鉆永磁合金作永磁材料，其E = 12300G£,H, =5007；它的去磁曲線和能

5、量 曲線如圖 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龍解得a = 80.79。作出&角與去磁曲線的相交點即為工作點M。山圖8可知，在M點處 的 Bm = 12000G&= 2000e。2、線圈設(shè)計及靈敬度估算線圈設(shè)計的根據(jù)是：滿足給定靈敏度的要求；滿足線圈電阻與負(fù)載電阻的匹配； 線圈散熱；磁場反應(yīng)等問題。(1)線圈的設(shè)計。取線圈直接繞在骨架上，繞完后

6、再包兩層0.015“厚的電容紙，兩種 線圈均用47"漆包線，其裸導(dǎo)線直徑=0.05期，絕緣導(dǎo)線直徑=0.65皿，工作線圈最大 匝數(shù)作估算如下。工作線圈最大匝數(shù)為式中A =臥hk = h-2x 0.015 = 1 47”(取= 1 A5mm) lk = 15,忍=0.35補(bǔ)償線圈最大匝數(shù)N工作= 0.354 x 1.45 x 15r0.052心3850匝心=0.3510.052a 3320匝實際線圈的匝數(shù)。因為工作線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為fr =B/1xlO-8補(bǔ)償線圈的感應(yīng)電動勢為e=BJ2N2uxO為達(dá)到完全補(bǔ)償,使£工作=e補(bǔ)，則N2 = 0.792",設(shè)計時取N

7、嚴(yán)3000匝,靄=2380匝。（2）靈敬度的佔算。線圈的感應(yīng)電勢為e = BhN、u,則其有效值為BLNy總電動勢即E = E+Ep圖8山圖8得Nj = 3000 x 丄 n 1400, Np = 3000 -1400=16001 5每匝線圈的平均長度為1、=兀 x 30.59 = 9.6cm則E®Ep疋所以，傳感器的靈敬度為jE_（BdNd+BpN）ixE _'=Xy/2（3200 x 1400 +1000 x 1600） x 9.6 s.=Lx 10=414/7? V.cnr如果設(shè)訃技術(shù)指標(biāo)給出了靈敏度的要求，可先根據(jù)靈敬度的要求，用相反的方法去試湊線圈 的匝數(shù)，經(jīng)多次計

8、算，確實達(dá)不到要求時，就要改變磁路尺寸，這樣反復(fù)多次直到滿足為止。3、傳感器的固有頻率及阻尼度的初步估算幅頻特性A（0）=本設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求：待測頻率為20處600欣時，允許幅值誤差為±5%;相位誤差在50Hz時為10。由幅頻特性可知：當(dāng)取歹= 0.6時,。/% = 1.8,即能滿足x,/x0=±5%f因此初步選定co一 =2,歹=06由 <y() =二;'=龍X 20 = 62.8(/卜=20Hz.),于是得九=10Hz。2 24、傳感器的剛度和彈簧設(shè)計（1）剛度的計算。傳感器的剛度要考慮滿足人3/卜/3（本例的要求，也要保證 彈簧在垂直工作時，不至于產(chǎn)生過

9、于嚴(yán)重的靜繞度。設(shè)W為傳感器運動部分的總重量。根據(jù)各零件的尺寸和所用材料的比重，可求的活動部 分的總重量W二0. 28N,則K的值為77. rK = =一 aO113N/M靜繞度為對于各種板簧，常常允許繞度限于nrni25",本設(shè)計測量振幅范圉為±5pm ±mm, 故彈簧片得最大繞度為厶=心 +1 = 2.5 +1 = 3.5 nun顯然，這個值太大了，所以這個設(shè)計是不合理的。應(yīng)給與適當(dāng)補(bǔ)償?，F(xiàn)取= 2mm，則剛度為（2）彈簧的設(shè)計。本設(shè)計采用的彈簧片的結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖105、阻尼系數(shù)的計算電磁阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖10所示。阻尼筒采用鋁材料，壁厚為O17g阻尼筒中感

10、應(yīng)電動勢為em=BqJux(V)其中= 4 = 3200 + 1000 = 2100x10+式中/為阻尼筒平均長度，且有u為阻尼筒運動速度(cm/s)；R為阻尼筒電阻，且有宀4曲晉亠"7"曲。山該電動勢產(chǎn)生的電流為/ = em / RIII電動勢如產(chǎn)生的電流受磁場作用的洛倫茲力Pd為烏=2.41x10"°“從而得到相對阻尼度為=2.41x10- =Q642© 嚴(yán) 2x70x286、頻率特性的計算（）幅頻特性為co（2）相頻特性CD曲線分別如圖11,12/ 、3(p(co) = - arctan四、誤差分析傳感器的誤差分為穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)誤差，對于

11、有規(guī)律的周期性振動，只要考慮穩(wěn)態(tài)誤差 就可以了。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，對幅值、相位和溫度誤差分別分析計算如下。1、幅值誤差在頻率為20&600念的范圉內(nèi)幅值誤差為J = ±5%,而，計算所得J =1.5%,因/<»,故滿足要求。2、相位誤差山想頻特性可知：在50Hz時，163 20',對周期振動的可視為待測波形向后移過兀角， 則相位差0 = -163 20 ,所以不滿足50Hz時10的要求，需通過電路對相位進(jìn)行校正。3、溫度誤差（1）溫度對剛度K的影響。因平板彈簧片無計算公式，但可以借助懸臂梁的剛度公式近 似估算。懸臂梁的剛度K = 3EIH慣性矩為z h

12、h312所以得3Eblr3K = = AEbli12/3所以AK AE/=+ 3一3K E b h I當(dāng)有銜溫度變化時，則有= akAt + aQ + 3anAr 一 3a, ArK式中 乙為彈性模量的溫度系數(shù)，5=-4xl（TVC為材料的膨脹系數(shù)，其值為O.176X1O-1 /Co設(shè)4=20 C為標(biāo)準(zhǔn)溫度。當(dāng)工作溫度為 t = -10C 時，/ = _1OC 2OC = 3OC, A/C/K = +1.2%；當(dāng)工作溫度為/ = 80 C時，A/C/K = -2.4%。（2）溫度對5的影響。根據(jù)q=jK/加,得5 1 K+1 Ain52 K2 m山于溫度的變化不影響質(zhì)量川的變化，故A/n =

13、O,則當(dāng) r = 10 C 時，込=丄(+12%) = +06%； 珂 2當(dāng) t = 80 C 時,也=丄(-2.4%) =-1.2% o5 2五. 測量電路的設(shè)計測量電路方框圖如圖13所示。(1)積分電路設(shè)計e-x圖13如圖14,積分電路的傳遞函數(shù)為1 + jcoRxC對數(shù)幅頻特性為Uco)= -20 lg Ji+srg)2圖14相頻特性為理想積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為(P(CD)= -arctan e盡 q對數(shù)幅頻特性為L(co) = -20 lg coRlCl相頻特性為心）=牙對于實際電路應(yīng)該有1CD>CD=若取積分誤差5S1%,則有1 1s =冏（溝）|一片（溝）| =哪G 1 + 0&G = _ e&G% |i（»|1 +哪 G°coRxC即 ty>22_o若電路為通頻帶，取/ = 10/1000也，為了滿足低頻的要求，應(yīng)取/ = 10Hz,計算得99丄coe=27rfc> ，取=1MQ=1O6Q,貝ijRCG