磁電式振動(dòng)測速儀的設(shè)計(jì)(共17頁)

1、11燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 課程名稱 傳感器原理(yunl)與設(shè)計(jì) 題 目 磁電式振動(dòng)(zhndng)速度傳感器 學(xué)院(xuyun)（系） 電氣工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè) 檢測13-1 學(xué) 號(hào) 130103020078 學(xué)生姓名 李瑞航 指導(dǎo)教師 楊麗麗 教師職稱 講師 傳感器原理與設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)說明書目錄第1章 需求分析與方案選擇1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容1.2 文獻(xiàn)調(diào)研1.2 方案選擇第2章 理論設(shè)計(jì)2.1 測量原理2.2 理論推導(dǎo)2.3 參數(shù)計(jì)算2.3.1 傳感單元參數(shù)計(jì)算2.3.2 測量電路參數(shù)計(jì)算2.3.3 調(diào)理電路參數(shù)計(jì)算第3章 系統(tǒng)驗(yàn)證4.1 系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第4章 設(shè)計(jì)收獲參考文獻(xiàn)第1章 需求

2、(xqi)分析與方案選擇1.1 設(shè)計(jì)(shj)內(nèi)容1. 理論(lln)設(shè)計(jì)方案及論證2. 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析、參數(shù)計(jì)算3. 測量電路設(shè)計(jì)、分析、參數(shù)計(jì)算4. 繪出傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和測量電路圖5. 結(jié)合傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將磁電傳感器應(yīng)用于振動(dòng)測量，分析其動(dòng)態(tài)特性6. 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，比較與壓電式傳感器輸出波形的相位差，分析其原因。 7. 提交課程設(shè)計(jì)說明書1.2 文獻(xiàn)調(diào)研傳感器的發(fā)展史及新型傳感器的發(fā)展方向 今天，信息技術(shù)對社會(huì)發(fā)展信、科學(xué)進(jìn)步起到了決定性的作用?，F(xiàn)在信息技術(shù)的基礎(chǔ)包括信息采集、信息傳輸與信息處理，而信息的采集離不開傳感器技術(shù)。所以說傳感器是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是

3、現(xiàn)代科技的開路先鋒。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。微型化是建立在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)上的，目前已成功應(yīng)用在硅器件上形成硅壓力傳感器(如上述EJX變送器)。 微電子機(jī)械加工技術(shù)，包括體微機(jī)械加工技術(shù)、表面微機(jī)械加工技術(shù)、LIGA技術(shù)(X光深層光刻、微電鑄和微復(fù)制技術(shù))、激光微加工技術(shù)和微型封裝技術(shù)等。 MEMS的發(fā)展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。傳感器的檢測儀表，在微電子技術(shù)基礎(chǔ)

4、上，內(nèi)置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路(運(yùn)算放大器、A/D或D/A、存貯器、網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路)等封裝在一起完成了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化。(注：MEMS技術(shù)還完成了微電動(dòng)機(jī)或執(zhí)行器等產(chǎn)品，將另作文介紹)網(wǎng)絡(luò)化方面，目前主要是指采用多種現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))，這要按各行業(yè)的特點(diǎn)(tdin)，選擇其中的一種或多種，近年內(nèi)最流行的有FF、Profibus、CAN、Lonworks、AS-Interbus、TCP/IP等。 除MEMS外，新型(xnxng)傳感器的發(fā)展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術(shù)，如新一代光纖傳感器、超導(dǎo)傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、納

5、米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)正在形成熱點(diǎn)，它形成于20世紀(jì)80年代，它不同于一般信號(hào)處理，也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于(jy)多個(gè)傳感器測量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能進(jìn)一步集成以致于融合，這是必然的趨勢，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。 多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義概括：把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾

6、，加以互補(bǔ)，降低其不確實(shí)性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層(像素層)融合、特征層融合、決策層(證據(jù)層)融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn)，即容錯(cuò)性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性，所以逐步得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，已適用于自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人、海洋監(jiān)視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫(yī)學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。 我國傳感器產(chǎn)業(yè)要適應(yīng)技術(shù)潮流，向國內(nèi)外兩個(gè)市場相結(jié)合的國際化方向(fngxing)發(fā)展，讓傳感器和檢測儀表抓住信息化的發(fā)展機(jī)遇。 溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。

7、根據(jù)美國儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律(gul)，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮(fhu)著越來越重要的作用。人類社會(huì)對傳感器提出的越來越高的要求是傳感器技

8、術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。 傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會(huì)對傳感器提出的越來越高的要求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。而現(xiàn)代們學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)則提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。 隨著科技的發(fā)展，傳感器也在不斷的更新發(fā)展。1.3 設(shè)計(jì)方案動(dòng)圈式震動(dòng)測速器永久磁鐵線圈 a實(shí)物(shw)模型b數(shù)學(xué)模型在物理模型中，設(shè)：永久磁鐵(yn ji c ti)的質(zhì)量（也稱質(zhì)量塊）為m,彈簧(tnhung)剛度為K，阻尼器的阻尼系數(shù)為c,傳感器的殼體與被測體剛性固定，線圈又與殼體剛性固連，所以當(dāng)被測體運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器的殼體和線圈產(chǎn)生相同運(yùn)動(dòng)。設(shè)：xo為被測體（振動(dòng)體）的絕對運(yùn)動(dòng)位移，xm為質(zhì)量

9、塊（磁鋼）的絕對運(yùn)動(dòng)位移；xt=xm-xo為質(zhì)量塊與殼體（被測體）之間的相對運(yùn)動(dòng)位移。當(dāng)被測體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)后，為了分析受力狀態(tài)，我們?nèi)∮谰么朋w為隔離體，當(dāng)被測體產(chǎn)生位移xo時(shí)，在它上面受到三個(gè)力的作用：FK=KxtP=cdxdtF=ma=md2xmdt2Fk+P+F=Kxt+cdxtdt+md2xmdt2=0 xt=xm-xomd2(xt+xo)dt2+cdxtdt+Kxt=0拉氏變換(binhun)后：(mS2+cS+K)xt=-mS2x0傳遞函數(shù)為：xtxo=-mS2(mS2+cS+K)令：o=Km,=c2mk代入上式：xtxo=-S2S2+2oS+02令S=jxtxo=-(/02)21+j2

10、/02+(/02)2幅頻特性：相頻特性：分析(fnx)幅頻、相頻：這就是說，當(dāng)被測體的振動(dòng)(zhndng)頻率比傳感器的固有頻率大得很多時(shí)（通常3即可），質(zhì)量塊（磁鋼）與被測體（線圈）之間的相對運(yùn)動(dòng)位移Xt，就接近于被測體的絕對位移。此時(shí)可將質(zhì)量塊視為一個(gè)靜止坐標(biāo)而言是靜止不動(dòng)的，這樣就可以用測量線圈對質(zhì)量塊的相對運(yùn)動(dòng)代替被測物體（線圈）的絕對運(yùn)動(dòng)xo。這就是相對測量的基本原理，所不同的是當(dāng)M/N1、且f1時(shí)，則是xt與xo相差180。由設(shè)計(jì)要求可知，其測速較大(jio d)，振動(dòng)頻率較高，由此產(chǎn)生的非線性誤差基本為零。第2章 理論(lln)設(shè)計(jì)及方案選擇2.1結(jié)構(gòu)(jigu)原理：線圈和外殼

11、(wi k)固定在振物上隨外界振動(dòng)；磁鐵，阻尼環(huán)和芯桿的整體由于慣性而不隨之振動(dòng)。因此他們與殼體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，位于磁路氣隙間的線圈就切割磁感線，于是線圈就會(huì)產(chǎn)生正比與振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢。2.2 理論推導(dǎo) e=-NddT=BS=BlxsinE=-NBldxdtsinB:磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 L:單匝線圈的有效長度N:匝數(shù) V：線圈與磁場的相對運(yùn)動(dòng)速度:線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向的夾角,取=90，則由上式可知，它可以用來測速度：E=-NBlVN B l皆為定值，E與V成正比。2.3 參數(shù)計(jì)算已知參數(shù)測速范圍(fnwi)：v100m/ 精度(jn d)：33、工作溫度：40 C2.3.1 傳感單元參數(shù)(c

12、nsh)計(jì)算由相關(guān)資料可知，永久磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度一般為0.1T左右，則選取相關(guān)參數(shù)B=0.1T，由于考慮實(shí)際裝置的尺寸限制確定L=0.1m，N=10，則：代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得： u=0.1v2.3.2 調(diào)理電路參數(shù)計(jì)算獲得敏感元件的輸出電壓Tr后，采用橋式整流濾波電路，使輸出電壓非負(fù)且近似線性如圖2-3-2-2所示。圖2-3-2-1橋式整流濾波電路工作原理如下：e2為正半周時(shí)，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；

13、對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。圖2-3-2-2橋式整流濾波(lb)電路0-a段：D導(dǎo)通，電源(dinyun)對C充電(chng din)，Uo=Uc=u;ab段：從a點(diǎn)開始，u和Uc都開始下降，U按照正弦規(guī)律下降，Uc按指數(shù)規(guī)律下降，開始Uc下降速度大于u,所以D導(dǎo)通，Uo=Uc=u;bc段：從b點(diǎn)開始，u下降速度大于Uc,所以D截止，Uo=Uc,按指數(shù)規(guī)律變化，變化快慢決定于。2.3.3 測量(cling)電路參數(shù)計(jì)算圖放大(fngd)電路原理圖根據(jù)各種相關(guān)參數(shù)以及靈敏度、精度等要求，通過

14、計(jì)算可知，需要用放大(fngd)倍數(shù)10的放大電路。圖是我們設(shè)計(jì)的放大電路，通過電路仿真軟件進(jìn)行仿真。通過模擬仿真得到的電壓放大倍數(shù)為：A=R1R2=-102.4系統(tǒng)參數(shù)驗(yàn)證與分析由敏感元件公式可知，u=0.1v，將得到的電壓輸入到所設(shè)計(jì)的電路中，通過橋式整流電路、濾波電路、放大電路，最終得到輸出電壓和振動(dòng)速度的關(guān)系為：u=v由上式可知系統(tǒng)靈敏度為：S=UV=1第3章 系統(tǒng)驗(yàn)證3.1 系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)(shyn)驗(yàn)證圖2.4-1系統(tǒng)(xtng)電路原理圖圖2-4-2仿真(fn zhn)結(jié)果圖圖2-4-1為根據(jù)系統(tǒng)要求搭建的理論仿真模型，其中包括橋式整流電路、濾波電路、放大電路。由于沒有敏感元件實(shí)

15、物，所以無法提供輸入信號(hào)。上圖為輸入正弦所得結(jié)果，符合設(shè)計(jì)要求。第4章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，我的收獲很大，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)(fxin)了自身的一些不足之處。有些東西的理論已經(jīng)掌握，卻實(shí)踐起來卻不是很容易，會(huì)有意想不到的困惑(knhu)和迷茫，這都需要相當(dāng)?shù)呐斫鉀Q。更重要的是讓我進(jìn)一步懂得了如何把自己所學(xué)理論與實(shí)際相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用鞏固并掌握所學(xué)的知識(shí)理論同時(shí)也鍛煉了獨(dú)立思考的能力，分析和解決實(shí)際問題的能力，大有裨益。通過(tnggu)這個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)，我重溫了一遍傳感器原理的基本概念及相關(guān)理論，鞏固了所學(xué)原理的基本使用方法， 傳感器課程設(shè)計(jì)雖然只有短短的四天，但是它是我

16、們向工程問題靠近的很重要的訓(xùn)練，我體會(huì)理論知識(shí)必須聯(lián)系實(shí)際，這樣才是學(xué)習(xí)的最佳途徑。同時(shí)感謝老師的諄諄教誨，辛辛培育，我輩定不負(fù)所望，磨心苦志再接再厲。 參考文獻(xiàn)（1） 唐文彥，傳感器（第4版），機(jī)械(jxi)工業(yè)出版社，2007.（2 ）李科杰，新編(xn bin)傳感器技術(shù)手冊，國防工業(yè)(u fn n y)出版社，2002. （3） HYPERLINK /link?url=sAdGdoKOotXduCGew_kwd66n3QG8fkXUlUgYc7qQQhQywzoStBqboEQcbczPh4xi&wd=&eqid=b9847a16000435680000000356872da4 磁電型

17、傳感器與測量電路（4） HYPERLINK /link?url=xg14NAOQh3KEbsVd8hZpIxAaPFUyV1O_7-ctOfMzRiv42xlm74YJ74tsWsjG7kt2T9fI5gb3XnUPSG0AsEi4f6C9PD3kohTBrxlOS2yXjvS&wd=&eqid=b9847a16000435680000000356872da4 試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)（5） HYPERLINK /link?url=-xIHZZbFfmAY5MhqY7lLoBbM240keezZTHh6QOLWx5S3PciRaNu9q4AijssytsI0nq2_-DKpAnEeyFYUuGmlq&

18、wd=&eqid=d4fe4e470002d030000000035687284e 速度傳感器原理（6） HYPERLINK /link?url=2Ry5ILZbTeBvcGsPuB0mgcDT67NtJv-oC9zDGobAMLzI8V49KlpVir0GPIxO99LuoiYyl8mnHohu5O1A5t_BnwdrEWKiBwd7jyREB6RI7GO&wd=&eqid=d4fe4e470002d030000000035687284e 常用傳感器工作原理(磁電式) （7） HYPERLINK /link?url=VNe3_-bYBNHEUe2Xn0teLQ-a_wZvsTY7hwJcNP_rgc1_f0CDZ8Ig6UvtjdAhqqJwr2V3