磁電式振動(dòng)傳感器

1、湖 南 科 技 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱： 傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)學(xué) 生 姓 名： 戴見宇 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)及班級(jí)： 10級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器3班 學(xué) 號(hào)： 10003030301 指 導(dǎo) 教 師： 余以道、楊書儀 2013 年 6 月 8 日傳感器、測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)要求一.設(shè)計(jì)題目磁電式動(dòng)振位移傳感器的設(shè)計(jì)二.設(shè)計(jì)要求1.工作在常溫，常壓，靜態(tài)，環(huán)境良好2.精度0.1%FS3.分辨率：4.測(cè)量范圍：可測(cè)得頻率范圍為0500Hz時(shí)，最大加速度為10目錄設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 4相對(duì)測(cè)量數(shù)學(xué)模型.4傳感器結(jié)構(gòu)確定.6磁電式傳感器參數(shù)計(jì)算.7電路設(shè)計(jì)方案10誤差分析.14參考文獻(xiàn)

2、.15設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是一種有源傳感器。 在均衡的磁場(chǎng)內(nèi)設(shè)穿過線圈的磁通量是，則線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通的變化率成正比e=-kddt 式中，k為比例常數(shù)，當(dāng)e的單位為V，的單位為Wb，t的單位為s，則k=1.這時(shí) e=-ddt如果線圈為w匝，則整個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 由上式可見，只要有磁通量變化存在即：，就可以得到感應(yīng)電勢(shì)e，其實(shí)現(xiàn)在的方法很多，主要有1. 磁體與線圈有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)2. 磁路中有磁阻的變化3. 在恒定的磁場(chǎng)中使線圈面積發(fā)生變化等均能產(chǎn)生磁通量的梯度

3、變化，因此，可制成不同類型的磁電式感應(yīng)式傳感器，但他們的基本工作原理都是建立在磁電感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上的相對(duì)測(cè)量數(shù)學(xué)模型在物理模型中，設(shè)：永久磁鐵的質(zhì)量（也稱質(zhì)量塊）為m，彈簧剛度為k，阻尼器的阻尼系數(shù)為c，傳感器殼體與被測(cè)剛體固定，線圈又與殼體剛性固連，所以當(dāng)被測(cè)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器的殼體和線圈產(chǎn)生相同的運(yùn)動(dòng)設(shè)：x0為被測(cè)體的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)位移；Xm為質(zhì)量塊的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)位移；Xt=Xm-X0為質(zhì)量塊與 殼體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移，當(dāng)被測(cè)體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)后，為了分析受力狀態(tài)，我們?nèi)∮来朋w為隔離體，當(dāng)被測(cè)體位移X0時(shí)，在它上面受到了3個(gè)里的作用1. 彈簧的彈性力：F1=KXt2. 阻尼器的阻尼力：P=CXt3. 質(zhì)量快的

4、慣性力：F=ma=md2Xmdt2當(dāng)受力平衡時(shí)，有i=1nFi=0，則有 md2Xmdt2+cdxtdt+KXt=0由假設(shè)條件有 xm=Xt+X0 代入上式得 md2(xt+x0)dt2+cdxtdt+ KXt=0在初始條件為0的情況下對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，即令S=ddt那么，上式變?yōu)?(mS2+cS+K)xt=-mS2x0 得到的傳感器傳遞函數(shù)為 xtx0(S)= -mS2nS2+cS+K 令 w0=Km為傳感器固有頻率；=-c2mK相對(duì)阻尼力代入上式得 xtx0(S)= -mS2nS2+2w0S+w02令被測(cè)體作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)有x0=x0msinwt式中，w為被測(cè)體振動(dòng)頻率，在此正弦信號(hào)的作用

5、下，令jw=s，代入上式，得系統(tǒng)的頻率傳遞函數(shù)為 xtx0(jw)=(w/w0)21+(ww0)2+2(ww0)j 相頻特性： =-tanh-12(ww0)1-(ww0)2 由上式可知名單W/W0>>1時(shí)，則xt/x0=1那么就可以近似認(rèn)為Xt=X0也就是說名單被測(cè)體的振動(dòng)頻率比傳感器的固有頻率大的多的時(shí)候，質(zhì)量快與被測(cè)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移Xt就接近與被測(cè)體的絕對(duì)位移X0，此時(shí)可將質(zhì)量塊思維一個(gè)靜止不懂的，這樣就可以用測(cè)量線圈對(duì)質(zhì)量塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)Xt來代替被測(cè)體的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)確定 依據(jù)e=ddt，只要能夠產(chǎn)生ddt不為0便能夠產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，形成這種原理的基本元件應(yīng)有兩個(gè)，一個(gè)是

6、磁路系統(tǒng)，由他來產(chǎn)生恒定的永久磁場(chǎng)，為了減少傳感器體積，故采用永久磁鐵，另一個(gè)是線圈，只要兩者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生切割磁力線作用，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因此，這種慣性式的測(cè)量方法可直接將傳感器安裝在被測(cè)體上，不需要靜態(tài)參考坐標(biāo)依據(jù)以上的理論依據(jù)，設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)圖如下1. 永久磁體 2.線圈 3.殼體 4.彈簧 5.心軸磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算1、磁路計(jì)算測(cè)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(chǎng)分割法，計(jì)算氣隙磁導(dǎo)和擴(kuò)散磁導(dǎo)值。由于鋁和銅是不導(dǎo)磁體，相當(dāng)于空氣隙一樣，圖中沒有畫出。根據(jù)磁場(chǎng)分布趨勢(shì)，可將每一邊的磁導(dǎo)近似分割成如圖3所示的。兩邊磁路對(duì)稱，總磁導(dǎo)及

7、工作點(diǎn)求法如下。（1） 求總磁導(dǎo)。 磁導(dǎo)。它是一個(gè)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。由圖給定的尺寸可知 R=342=1.7cmr=272=1.35cm =R-r=0.35cm查新編傳感器技術(shù)手冊(cè)（李科杰主編）P358表12-2得 磁導(dǎo)。它是一個(gè)截面為半圓（直徑為）的旋轉(zhuǎn)體，如圖5所示同理，查新編傳感器技術(shù)手冊(cè)（李科杰主編）P358表12-2得這里取平均周長(zhǎng)，即=8.478cm 磁導(dǎo)。它是一個(gè)截面為半空心圓的旋轉(zhuǎn)體，如圖上所示。查新編傳感器技術(shù)手冊(cè)（李科杰主編）P358表12-2得這里取平均周長(zhǎng)，取，則擴(kuò)散磁導(dǎo)為總磁導(dǎo)為（2） 求工作點(diǎn)。利用總磁導(dǎo)和去磁曲線，用作

8、圖法找到工作點(diǎn)。選用國(guó)產(chǎn)鋁鎳鈷永磁合金作永磁材料，其它的去磁曲線和能量曲線如圖7所示。其中解得。作出角與去磁曲線的相交點(diǎn)即為工作點(diǎn)。由圖8可知，在點(diǎn)處的。電路設(shè)計(jì)方案（1） 積分電路設(shè)計(jì)圖3 具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)放大電路如上圖所示其中V1的發(fā)射結(jié)電壓為 uBE1=UTlnuiR1Is1V2用作溫度補(bǔ)償 iC2i2UrR2iC2是一個(gè)常量，V2的發(fā)射結(jié)電壓為 uBE2=UTlnuRR2Is2U0通過R4，R5和熱敏電阻Rt分壓后加在V1和V2兩發(fā)射結(jié)上 U0R5+RtR4+R5+Rt=UBE2+UBE1=-UTlnUiR2Is2URR1Is1若V1，V2為制作在同一芯片上的對(duì)稱管，Is1=Is2，

9、上式變成 U0=-UTR4+R5+RtR5+RtlnuiR2uiRR1選用具有正溫度系數(shù)的熱敏點(diǎn)數(shù)Rt，使得R4+R5+RtR5+Rt與溫度T成反比。即可對(duì)Ut進(jìn)行溫度補(bǔ)償使用中，常通過選用適當(dāng)?shù)膮?shù)，使得R4+R5+RtR5+Rt=16.7，可實(shí)現(xiàn)以10為底的對(duì)數(shù)運(yùn)算U0=-lg(R2UrR1ui)以下為積分放大電路電路圖 對(duì)數(shù)幅頻特性為 積分電路的傳遞函數(shù)為 圖14相頻特性為理想積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為對(duì)數(shù)幅頻特性為相頻特性為對(duì)于實(shí)際電路應(yīng)該有若取積分誤差，則有即。若電路為通頻帶，取，為了滿足低頻的要求，應(yīng)取Hz，計(jì)算得，取，則為了使信號(hào)不致衰減太嚴(yán)重，取，。誤差分析傳感器的誤差分為穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差，對(duì)于有規(guī)律的周期性振動(dòng)，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(duì)幅值、相位和溫度誤差分別分析計(jì)算如下。1、幅值誤差在頻率為的范圍內(nèi)幅值誤差為，而，計(jì)算所得，因，故滿足要求。2、相位誤差由想頻特性可知：在50Hz時(shí)，對(duì)周期振動(dòng)的可視為待測(cè)波形向后移過角，則相位差，所以不滿足50Hz時(shí)的要求，需通過電路對(duì)相位進(jìn)行校正。3、溫度誤差（1）溫度對(duì)剛度的影響。因平板彈簧片無計(jì)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，慣性矩為所以得所以當(dāng)有溫度變化時(shí)，則有式中 為彈性模量的溫度系數(shù)， 為材料的膨脹系數(shù)，其值為。設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)溫度。當(dāng)工作溫度為時(shí)，；當(dāng)工作溫度為時(shí)，。（2） 溫