磁电式振动传感器

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1、湖南科技大学课程设计课程设计名称 学 生 姓 名： 学院：专业及班级： 学号：指 导 教 师：传感器/测控电路课程设计机电工程学院10级测控技术与仪器 3班10003030301余以道、杨书仪2013 年 6 月 8 日传感器、测控电路课程设计任务书设计要求一.设计题目磁电式动振位移传感器的设计二.设计要求1. 工作在常温，常压，静态，环境良好2. 精度 0.1%FS3. 分辨率：S = 700mV - cm-1x4. 测量范围：可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10储斗專IM崑4ss设计理论基础磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传 感器。它不需要辅助

2、电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号， 是一种有源传感器。在均衡的磁场内设穿过线圈的磁通量是，则线圈内感应电动势与磁通的变 化率成正比e二-肥dt式中，k为比例常数，当e的单位为V,的单位为Wb, t的单位为s,则k=l. 这时e二-空dt如果线圈为W匝，则整个线圈产生的感应电势为由上式可见，只要有磁通量变化存在即：，就可以得到感应电势e,其实现在的方法很多，主要有1. 磁体与线圈有相对的运动2. 磁路中有磁阻的变化3. 在恒定的磁场中使线圈面积发生变化等均能产生磁通量的梯度变化，因此 可制成不同类型的磁电式感应式传感器，但他们的基本工作原理都是建立 在磁电感应定律的基础上的相对

3、测量数学模型在物理模型中，设，永久磁铁的质量（也称质量块）为m弹簧刚度为k, 阻尼器的阻尼系数为c,传感器壳体与被测刚体固定，线圈又与壳体刚性固连， 所以当被测体运动时，传感器的壳体和线圈产生相同的运动设：xO为被测体的绝对运动位移；Xm为质量块的绝对运动位移；Xt =Xm-X0 为质量块与 壳体之间的相对运动位移，当被测体产生运动后，为了分析受力状 态，我们取永磁体为隔离体，当被测体位移X0时，在它上面受到了 3个里的作 用1.弹簧的弹性力：F1 = KXt2. 阻尼器的阻尼力：P=CXt3. 质量快的惯性力：F二ma二m型血dt2当受力平衡时，有= 0,则有泄竺+c些+KX十=0dt2 d

4、t 1由假设条件有&=兀代入上式得m2（叫尤 o）+c叫 + KX =0dt2dtt在初始条件为0的情况下对上式进行拉普拉斯变换，即令S=2那么，上式变为(mS2+cS+K) xt=-mS2%0得到的传感器传递函数为土 (S) =mS2nS2CSK令w0 =J|为传感器固有频率;g =-十相对阻尼力2 ImK代入上式得土 (S) =%mS2nS22 lwSw o2令被测体作简谐运动有兀0 =x0m sin式中，w为被测体振动频率，在此正弦信号的作用下，令jw二S,代入上式，得系统的频率传递函数为玉（jW）二（W/W。）2%01（出）2 20W0W0相频特性： 二一tanh12 g （出）wo1

5、（出）2 W0由上式可知名单W/WO1时，则汪二1那么就可以近似认为 Xt=X0也就是说名单被测体的振动频率比传感器的固有频率大的多的时候，质量快与被 测体之间的相对运动位移Xt就接近与被测体的绝对位移XO,此时可将质量块思 维一个静止不懂的，这样就可以用测量线圈对质量块的相对运动Xt来代替被测 体的绝对运动传感器结构确定=d0d0依据= dt，只要能够产生不不为0便能够产生感应电势，形成这种原理的基本元件应有两个，一个是磁路系统，由他来产生恒定的永久磁场，为了减少传感器体积，故采用永 久磁铁，另一个是线圈，只要两者之间有相对运动发生切割磁力线作用，就会产生感应电势， 其大小与相对运动有关，因

6、此，这种惯性式的测量方法可直接将传感器安装在被测体上，不 需要静态参考坐标依据以上的理论依据，设计传感器的结构图如下341.永久磁体2.线圈3.壳体4.弹簧5.心轴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G值。由于铝和铜是不导磁体，相当于空气隙一样， p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 、 G 、G 。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 。G 二-（G + G + G ）2 1 2 3 磁导 G 。它是一个界面为矩形的旋转体，是属

7、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R = 34 = 1.7cm227r = 1.35cm25 =R-r=0.35cm查新编传感器技术手册（李科杰主编）P358表12-2得磁导G。它是一个截面为半圆（直径为5 ）的旋转体，如图5所示2同理，查新编传感器技术手册（李科杰主编）P358表12-2得G 二 2G 二 2 x 0.261 卩20这里1取平均周长，即1 = 2“（R + r） /2 =8.478cmG = 12.25 x 10-8 HG 2 G 322兀一 +1 km丿这里l取平均周长，取m = 1.65，则磁导G3。它是一个截面为半空心圆的旋转体，如图上

8、所示。 查新编传感器技术手册（李科杰主编）P358表12-2得G 二 2.4 x 10-8 H 扩散磁导 G 为p 总磁导 G 为3GG = G + -3 = 13.45 x 10-8 Hp 2 2G = G + G = 27.15x10-8 H5p（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B = 12300Gs,H = 500T,它的去磁 rc曲线和能量曲线如图7所示。（1Gs = 10-4T;1Oe = 103（4兀）-1 A/m）+- m l tan a 一Gm A 55Bm其中G G 27.15x10-8 H55l

9、 0.4 mmA 兀(0.0222 - 0.0062) 0.0014m2mm102Oe 106H m103 Gs 4 兀B解得a二80.79。作出a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 B = 12000Gs,H = 200Oe。Mg电路设计方案1）积分电路设计主放大器积分电蹄駐程选择-或记录微分电建图7-4磁电式传感器测量电路方框图磯电式 餐感器前进放大图3具有温度补偿的对数放大电路如上图所示其中VI的发射结电压为BE1=U In iTWslV2 用作温度补偿lC2iC2是一个常量，V的发射结电压为U=UTUBE2InRT2 s2U0通过R4，R5和热敏电阻Rt分压后

10、加在V1和V2两发射结上UR5R t = U U = U ln uiR2Is2Odd dBE2 BE1T n r JK4K 5K tURK1ls1若V1, V2为制作在同一芯片上的对称管，Is1=Is2,上式变成U = U R4R 5尺 tin i*2T R5R tUiRR1选用具有正温度系数的热敏点数Rt，使得普与温度T成反比。即可对Ut进行温度补使用中，常通过选用适当的参数，使得亠宀=16.7，可实现以10为底的对数运算 R5R tRU = -lg( 2 u.)r 1以下为积分放大电路电路图积分电路的传递函数为H (j 二对数幅频特性为ei1L() = 201g fl + (RC )2图

11、14相频特性为9（） = arctan RC11理想积分环节的传递函数为H(j) =1j RC11对数幅频特性为相频特性为L() = 20lg R C11*)=冷对于实际电路应该有=c RC11若取积分误差8 RC11若电路为通频带，取f二10Hz1000Hz ,为了满足低频的要求，应取f二10Hz,99计算得w二2兀f ，取R = 1MQ=106 Q，贝Vc c rc111C = 1.57|1 F1为了使信号不致衰减太严重，取R = 2MQ，C = 2卩F。11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

12、误差分别分析计算如下。1、幅值误差在频率为20Hz 600Hz的范围内幅值误差为s = 5%，而，计算所得8 二1.5%，因8 8，故满足要求。2、相位误差由想频特性可知：在50Hz时，(P=-16320，对周期振动的可视为待测波形 向后移过兀角，则相位差9 =-16320，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 = 3 EI/l 3，惯性矩为bh3I =12所以得= AEbh 33Ebh3K =1213所以AK AE Ab从 o Al= + + 3 3

13、K E b h l当有At温度变化时，则有=a At + a At + 3a At 一 3a AtK Ebn1式中a为弹性模量的温度系数，a =4x 10-4 / CEEa ,a ,a为材料的膨胀系数，其值为0.176 x 104/。C。 b n 1设t = 20。C为标准温度。0+1.2% ；当工作温度为 t = 10。C 时，At = 10。C 20。C = 30。C，AK/ K当工作温度为t = 80。C时，AK/ K = 2.4%。(2) 温度对的影响。根据=:K/m，得0 0Aww01 AK1 Am由于温度的变化不影响质量m的变化，故Am = 0，则Aw1 AK0 =w 2 K0当 t = 10。C 时，竺=丄(+1.2%) = +0.6%；w 20当 t = 80。C 时，一0 = (2.4%) = 1.2%。w20参考文献1 传感器（第 4 版）.机械工业出版社.2011.12 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，2007.93 新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002.14 传感器原理与运用 国防工业出版社 2006.9