pgl傳感器設(shè)計(jì)正文

1、工程測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：動(dòng)圈式磁電傳感器設(shè)計(jì)姓名： 屈云開(kāi) 學(xué)號(hào)： 26 班級(jí)： A 0821 專(zhuān)業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)院：機(jī)械與材料工程學(xué)院指導(dǎo)老師： 王元生 2011年5月目錄 序言 2一、系統(tǒng)分析 （一）工作原理 3 （二）運(yùn)動(dòng)特性分析 3二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （一）確定結(jié)構(gòu) 5 （二）原始數(shù)據(jù) 5 （三）磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 1）磁路設(shè)計(jì)計(jì)算 6 2）線圈設(shè)計(jì)、靈敏度校核7 3）固有頻率計(jì)算 8 4）彈簧設(shè)計(jì)8 5）阻尼系數(shù)計(jì)算 9 6）幅值誤差計(jì)算 10三、設(shè)計(jì)總結(jié)11四、參考文獻(xiàn)12序言 傳感器的基本功能是獲取被測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換成可用量，在傳感器輸出與輸入的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，總是希望能

2、夠按照一定的規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在設(shè)計(jì)任何一種傳感器時(shí)，必須首先求出輸出與輸入量值之間的關(guān)系式及其特性，以便于知道設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。 磁電式傳感器有時(shí)也稱(chēng)作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器，它只適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡(jiǎn)單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為101000Hz。 磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在均恒磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)隨磁通變化率的變化而變化。 根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測(cè)量線速度或角速度的磁電式傳感器。 為了保證傳感器輸

3、出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。 磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。一、系統(tǒng)分析 一）工作原理 （1）磁電式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上，將機(jī)械量轉(zhuǎn)換成線圈的感應(yīng)電勢(shì)，而不需要外加電源，可直接將機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。對(duì)動(dòng)圈式磁電傳感器，被測(cè)體振動(dòng)時(shí)，此時(shí)線圈、阻尼器和芯桿為整體，由于慣性不和它一起運(yùn)動(dòng)，因此殼體（永磁鐵）與線圈間就產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁場(chǎng)線，而產(chǎn)生感

4、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小為： e=NBl0sin= NBl0 vsin (1-1)式中：N線圈匝數(shù) B工作氣隙感應(yīng)強(qiáng)度 l0線圈導(dǎo)線平均長(zhǎng)度 v線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 （2）靈敏度公式： Sv= NBl0 sin (1-2) 但當(dāng)=90o時(shí)有 Sv= NBl0 (1-3) 由(1-2)、(1-3)可知： 感應(yīng)電勢(shì)與線圈速度成正比； 但結(jié)構(gòu)確定之后，速度靈敏度為常數(shù)； 二）運(yùn)動(dòng)特性分析 若將慣性質(zhì)量塊m、彈簧剛體k、阻尼器c視為集中參數(shù)，則可將振動(dòng)傳感器簡(jiǎn)化為一個(gè)二階運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示： 二階運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為： + (1-4) 對(duì)(1-4)式進(jìn)行拉普拉斯（Laplace）變換得到表征輸入與輸出的傳

5、遞函數(shù)，即 = = = (1-5) 其中：=為系統(tǒng)無(wú)阻尼頻率（傳感器固有頻率）； =為相對(duì)阻尼比； 令s=j代入（1-5）式，得頻率傳遞函數(shù)為：圖1 (1-6) 頻率特性為： = (1-7) 式中：u=/0 相頻特性為：（）= (1-8) 由式(1-7)、(1-8)可知： 當(dāng)u=/0>>1,即>>0時(shí)一般只要/0>=3時(shí),就可得到x/y=1，即 |H(j)|=1，滿足輸入等于輸出； /0>=3時(shí)，（）=180o； 理想的固有頻率0<=/3，即理想固有頻率低于測(cè)量頻率的；二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （一）確定結(jié)構(gòu) 所選的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖，它是測(cè)量振動(dòng)用的一種磁電傳感器：

6、磁電式振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 1-彈簧片 2-阻尼器 3-永磁體 4-心軸 5-外殼 6-線圈 7-引線 （二）原始給定數(shù)據(jù) （1）要求設(shè)計(jì)傳感器靈敏度： Sv=700mv·s· （2）頻率測(cè)量范圍： 20600Hz （3）允許的幅值誤差： % （三）磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算圖2 1）磁路設(shè)計(jì)計(jì)算 測(cè)振傳感器的結(jié)構(gòu)和給定空間的分配時(shí)如圖2所示： 采用磁場(chǎng)分割法，計(jì)算氣隙磁導(dǎo)G和擴(kuò)散磁導(dǎo)Gp值。由于鋁與銅是不導(dǎo)磁體，相當(dāng)于空氣隙一樣，圖中沒(méi)用畫(huà)出。根據(jù)磁場(chǎng)分布趨勢(shì)，可將每一邊的磁導(dǎo)近似的分割成圖3所示的G1、G2、G3、G4、G5、G6。(1) 求總磁導(dǎo)，由總磁導(dǎo)公式得到：

7、 （1）分別計(jì)算如下： 磁導(dǎo)G1：它是一個(gè)截面為矩形的旋轉(zhuǎn)體，是屬于同心的圓柱與圓筒之間的磁導(dǎo)。 易知： ； ； ； 查手冊(cè)可知：G1= 磁導(dǎo) G2：它是一個(gè)截面為半圓直徑為的一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，相當(dāng)于半圓柱。 查手冊(cè)可知：G2=0.26l0 ,其中,于是有 磁導(dǎo)G3:它是一個(gè)半空心圓的旋轉(zhuǎn)體，相當(dāng)于圓柱殼。 查手冊(cè)可知：G3=,這里， 則: G3= 近似求G4、G5、G6：由于磁場(chǎng)上下對(duì)稱(chēng)近似取： G4+G5+G6 G2+ G3=8.75 10-8H 總磁導(dǎo)為： 漏磁系數(shù)Ka=1.39 （2）求工作點(diǎn)M： 磁鐵材料選擇國(guó)產(chǎn)鋁鎳鈷24永磁合金作永磁材料，它的去磁曲線和能量曲線圖參考手冊(cè)即相關(guān)資料：式中

8、： ) = 則： 即：； 作出角與去磁曲線的向交點(diǎn)，即為工作點(diǎn)M：可得 （3）求工作氣隙B的值，由 , 氣隙主磁通路徑上的截面積 則氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度為 2）線圈設(shè)計(jì)、靈敏度校核 取線圈直接繞在骨架上，繞完之后包二層0.015mm厚的電容紙，采用47漆包線，其裸導(dǎo)線直徑d=0.05mm。 （1）線圈的長(zhǎng)度的確定：L=1.3(lg+lp)=1.3（12+1.5）=19.5mm， 這里L(fēng)取20mm，即L=20mm； （2）匝數(shù)的確定：設(shè) d-導(dǎo)線的直徑； f1-利用系數(shù)，f1=0.95； N0-每層匝數(shù)； 則由： f1L= N0d， N0=匝。 （3） 靈敏度估算匝數(shù)：由于輸出的是交流電，則： 其中：

9、 推出： 匝 （4）估算線圈層數(shù)： 由 層 所以總匝數(shù)位： 匝 工作氣隙中線圈匝數(shù)： 匝 靈敏度校核： =滿足條件。 3）固有頻率計(jì)算 (1-7) 由（1-7）式知： 當(dāng)=0.7，=2時(shí)，能滿足幅值誤差為：% ，初步選定，為上值； 由，。 4)彈簧設(shè)計(jì) （1）G為傳感器運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量，活動(dòng)部件包括心軸，阻尼杯，骨架，線圈等零件，假設(shè)G=0.4N， 則：彈簧剛度彈簧片的靜繞度為:彈簧片的最大繞度：這值太大了，選取，則剛度為， （2）測(cè)振傳感器的彈性元件一般采用平板彈簧片，并在簧片上按需要開(kāi)成個(gè)種形式的槽，其目的就是提高柔性以提高工作的平穩(wěn)性。本設(shè)計(jì)采用的簧片的結(jié)構(gòu)如圖4；這種簧片沒(méi)有現(xiàn)成的計(jì)算

10、公式，只有采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行估算。 圖5 阻尼杯 5）阻尼系數(shù)計(jì)算： 阻尼杯采用鋁材料，壁厚為t=1.5mm。阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖5所示；下面計(jì)算阻尼系數(shù) 阻尼杯感應(yīng)電勢(shì)為： 其中：Bcp?。?；f為系數(shù)這里取f=1.8； l：為阻尼杯平均長(zhǎng)度有； v： 為阻尼杯的平均速度； ：為阻尼杯的寬度； R： 為阻尼杯的電阻 ； 該電勢(shì)產(chǎn)生的電流：， 由感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的電流受到磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生洛倫茲力F為： 由F=Cv,得到： 則相對(duì)阻尼度為： 由上可知：相對(duì)阻尼比=0.669，在0.60.7之間符合要求。 6）幅值誤差計(jì)算 由相頻特性曲線如圖6可知： A()=， 當(dāng)=0.669，=80s-1 ，A()=

11、99.5%，誤差,故滿足技術(shù)要求。 （三） 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，讓我熟悉了傳感器的一般結(jié)構(gòu)，并掌握了簡(jiǎn)單傳感器的設(shè)計(jì)方法。在與同學(xué)們的討論中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)解決問(wèn)題，這些使我們相互之間的溝通協(xié)調(diào)能力得到了提高，團(tuán)隊(duì)合作精神也得到了增強(qiáng)，使我更深切地感受到了團(tuán)隊(duì)的力量。設(shè)計(jì)往往離不開(kāi)自己的閱歷，經(jīng)驗(yàn)的積累固然可以從書(shū)本上學(xué)到不少，但是事非躬親很難在腦海中留下深刻的印象，對(duì)別人的經(jīng)驗(yàn)，自己沒(méi)有一定的基礎(chǔ)，要理解吸收真的是一件很不容易的事。在這次作業(yè)過(guò)程中,我遇到了許多困難,一遍又一遍的計(jì)算,一次又一次的設(shè)計(jì)方案修改這都暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。  盡管這次作業(yè)的時(shí)間

12、是漫長(zhǎng)的，過(guò)程是曲折的，但我的收獲還是很大的。不僅初步掌握了動(dòng)圈式磁電傳感器的設(shè)計(jì)步驟與方法，而且對(duì)Auto CAD制圖有了更進(jìn)一步的掌握。Auto CAD ，Word，畫(huà)圖，Matlab等這些軟件不僅僅是工具軟件,熟練掌握運(yùn)用也是必需的。對(duì)我來(lái)說(shuō)，收獲最大的是做設(shè)計(jì)的方法和能力，以及那些分析和解決問(wèn)題的方法與能力。在整個(gè)過(guò)程中,我發(fā)現(xiàn)像我這樣的學(xué)生最缺少的是經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有理性的認(rèn)識(shí)，空有理論知識(shí)，有些東西很可能與實(shí)際脫節(jié)?？傮w來(lái)說(shuō)，我覺(jué)得做這種類(lèi)型的作業(yè)對(duì)我們的幫助還是很大的，它需要我們將學(xué)過(guò)的相關(guān)知識(shí)都系統(tǒng)地聯(lián)系起來(lái)，從中暴露出自身的不足,以待改進(jìn)。（四）參考文獻(xiàn)【1】 鄒繼斌，劉寶廷等著。磁路與磁場(chǎng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。1998年。P51P76；【2】 馬文蔚，東南大學(xué)等著七所工科院校。物理學(xué)。高等教育出版社。2006年。P234P286；【3】 熊詩(shī)波，黃長(zhǎng)藝著。機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)