傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告磁電式傳感器測振動位移

湖南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱:磁電感應(yīng)式位移傳感器學(xué)生姓名：學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：測控技術(shù)與儀器學(xué)號：指導(dǎo)教師：書儀 凌啟輝2017年6月12日傳感器、測控電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目磁電感應(yīng)式位移傳感器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)要求(1)測得位移靈敏度為S=700mV-cm-1x可測得頻率圍為0~500Hz時(shí)，最大加速度為10g?？蓽y得頻率在0~600Hz、振幅圍為±5卩m?±1mm時(shí)，幅值誤差為±5%;相位誤差在50Hz時(shí)為io。工作溫度為-10C?80C一、確定結(jié)構(gòu)二、原始給定數(shù)據(jù)三、磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算四、誤差分析五、測量電路的設(shè)計(jì)六、繪制測振傳感器的電路七、附錄八、參考資料目錄0101021012141515-可修-一、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。圖1二、原始給定數(shù)據(jù)測得位移靈敏度為S=700mVcm-1x可測得頻率圍為0~500Hz時(shí)，最大加速度為10g。可測得頻率在0~600Hz、振幅圍為±5卩m?±1mm時(shí)時(shí)幅值誤差為±5%；相位誤差在50Hz時(shí)為10。工作溫度為一10C?80C-可修-三、磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算1、磁路計(jì)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，計(jì)算氣隙磁導(dǎo)G和擴(kuò)散磁導(dǎo)G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)磁卩 p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、G。兩邊磁路對稱，總磁12327圖2、3導(dǎo)G及工作點(diǎn)M求法如下（1）求總磁導(dǎo)G。G=-（G+G+G）2123磁導(dǎo)G］。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=R=mm2=1.65cm=-.35=-.35cmmm25=R一r=0.3cm查《新編傳感器技術(shù)手冊》（科杰主編）P358表12-2得G=込1=2x3」4x0.7小25何=27.4何h111.35丿巒1Gi=13?7皿8H磁導(dǎo)G。它是一個(gè)截面為半圓（直徑為5）的旋轉(zhuǎn)體，如圖5所示2同理，查《新編傳感器技術(shù)手冊》（科杰主編）P358表12-2得G二2G二2x0.261卩

20這里l取平均周長，即1=2m（R+r）/2=18.85cmG=12.25x10-8H2圖4 圖5磁導(dǎo)G。它是一個(gè)截面為半空心圓的旋轉(zhuǎn)體，如圖6所示。3查《新編傳感器技術(shù)手冊》（科杰主編）P358表12-2得這里l取平均周長，取m=1.65，則G=2.4x10-8H3pGG=G+-3=13.45x10-8Hp22⑤總磁導(dǎo)G為-=-8+-=27-15x1°-8H(2)求工作點(diǎn)M。利用總磁導(dǎo)G和去磁曲線，用作圖法找到工作點(diǎn)M。選用國產(chǎn)鋁鎳鈷永磁合金作永磁材料，其B=12300-s,H=5°°t,它的去磁曲線和能量rc曲線如圖7所示。(1Gs=1°-4T;1Oe=103(4兀)-1A/m)mltana=—h GmAS5Bm其中 ?G=G=27.15x1°-8H55l=°.4mmA=n(0.0222一0.0062)=°.°°14m2mm 102Oe106H= = —m 103Gs 4兀B解得a=80.79。作出a角與去磁曲線的相交點(diǎn)即為工作點(diǎn)M。由圖8可知，在M點(diǎn)處的B=12000Gs,H=200OeMg

2、線圈設(shè)計(jì)及靈敏度估算線圈設(shè)計(jì)的根據(jù)是：①滿足給定靈敏度的要求；②滿足線圈電阻與負(fù)載電阻的匹配；③線圈散熱；④磁場反應(yīng)等問題。(1)線圈的設(shè)計(jì)。取線圈直接繞在骨架上，繞完后再包兩層0.015mm厚的電容紙，兩種線圈均用47#漆包線，其裸導(dǎo)線直徑d二0.05mm，絕緣導(dǎo)線直徑d=0.65mm，工作線圈最大1匝數(shù)N估算如下。工作工作線圈最大匝數(shù)為式中A=hlkkh=h一2x0.015=1.47mm(取h=1.45mm)kkl=15,k=0.35kgN工作=0.35N工作=0.354x1.45x15兀0.052沁3850匝補(bǔ)償線圈最大匝數(shù)=0.354=0.354x1.45x15n0.052沁3320匝實(shí)際線圈的匝數(shù)。因?yàn)楣ぷ骶€圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為e=BINux10-8工作~11補(bǔ)償線圈的感應(yīng)電動勢為e=BINux10-8補(bǔ)~22為達(dá)到完全補(bǔ)償，使e=e，則N=0.792N，設(shè)計(jì)時(shí)取N=3000匝，N=2380匝。工作補(bǔ)2112(2)靈敏度的估算。線圈的感應(yīng)電勢為e=BINu，則其有效值為11E=eE=e有效BlNu總電動勢E二E+E5p即由圖8由圖8得N=3000x—>1400,N=3000-1400=16005 15 p每匝線圈的平均長度為E=E+E=E=E+E=5p5 5pp1(BN(BN+BN)lx10-85 5pp1 =TOC\o"1-5"\h\zE 5 5S==—5―5 p=x 2(3200X1400+1000x1600)x9.6 x10-8=414mVcm-1如果設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)給出了靈敏度的要求，可先根據(jù)靈敏度的要求，用相反的方法去試湊線圈的匝數(shù)，經(jīng)多次計(jì)算，確實(shí)達(dá)不到要求時(shí)，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(w)=本設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求：待測頻率為20Hz~600Hz時(shí)，允許幅值誤差為±5%;相位誤差在50Hz時(shí)為10。由幅頻特性可知：當(dāng)取—0.6時(shí)，①/①二1.8，即能滿足x/x二±5%，因此0t0初步選定=2,Q=0.60由①=—下= 下=兀x20=62.8(f=20Hz)，于是得f=10Hz。0 2 2 下 04、傳感器的剛度和彈簧設(shè)計(jì)(1)剛度的計(jì)算。傳感器的剛度要考慮滿足f<f/3(本例為f<f/2)的要求，也要保證0下0下彈簧在垂直工作時(shí)，不至于產(chǎn)生過于嚴(yán)重的靜繞度。設(shè)W為傳感器運(yùn)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=0.28N,則K的值為K=路=巴歲沁0.113N/mmmg靜繞度為=W=空?2.5mmK0.113對于各種板簧，常常允許繞度限于1mm?25mm，本設(shè)計(jì)測量振幅圍為±5卩m?±1mm,故彈簧片得最大繞度為f=f+1=2.5+1=3.5mmA A°maxA顯然，這個(gè)值太大了，所以這個(gè)設(shè)計(jì)是不合理的。應(yīng)給與適當(dāng)補(bǔ)償?，F(xiàn)取f二2mm，則A剛度為K二W二028二0.14N/mm

f°Kg=;°14x9800=70s一1W 0.28■=2=-70=11.2Hzo2兀 2兀2）彈簧的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)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(jì)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0.17cm。阻尼筒中感應(yīng)電動勢為e=Blux10-8(V)阻cpB=宀=3200+1。。。=2100x10-4Tcp式中i為阻尼筒平均長度，且有=k28.3+31.7=9.42cm2u為阻尼筒運(yùn)動速度（cm/s）；R為阻尼筒電阻，且有l(wèi) 兀d 942R二p—二5x10-6 cp二5x10-6 二1.7x10-4QA It 1.72x0.171由該電動勢產(chǎn)生的電流為由電動勢e產(chǎn)生的電流受磁場作用的洛倫茲力pd為P二2.41x10-ioN

d從而得到相對阻尼度為c 2.41x103Q= = =0.642?m2x70x2806、頻率特性的計(jì)算1）幅頻特性為|r11221-+2；J0丿0」2）相頻特性2』/、①

申（①）=-arctan曲線分別如圖11,12

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(jì)算如下。1、幅值誤差在頻率為20Hz~600Hz的圍幅值誤差為b]=±5%，而，計(jì)算所得§'=1.5%，因6'<0],故滿足要求。2、 相位誤差由想頻特性可知:在50HZ時(shí)，'=-16320'，對周期振動的可視為待測波形向后移過“角,則相位差申=-16320'，所以不滿足50HZ時(shí)10的要求，需通過電路對相位進(jìn)彳丁校正。3、 溫度誤差(1)溫度對剛度k的影響。因平板彈簧片無計(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K=3EI/13,慣性矩為bh3I=—12所以得3Ebh3Ebh31213=AEbh3所以AKAEAb-AhoAl = + +3 —3—KEbh1當(dāng)有At溫度變化時(shí)，則有=aAt+aAt+3aAt一3aAtKE b n 1式中a為彈性模量的溫度系數(shù)，a=—4x10—4/CEEa,a,a為材料的膨脹系數(shù)，其值為0.176x10—4/Cobn1設(shè)t0=20C為標(biāo)準(zhǔn)溫度。當(dāng)工作溫度為t=—10C時(shí)，At=-10C-20C=—30C,AK/K=+1.2%;當(dāng)工作溫度為t=80C時(shí)，AK/K=-2.4%。（2）溫度對①0的影響。根據(jù)①0=jK?m，得1AK11AK1Am0=w0由于溫度的變化不影響質(zhì)量m的變化，故Am=0,則Aw 1AK 0= w2K0當(dāng)t=-10C時(shí)，—*=丄(+1.2%)=+0.6%；

w2。0當(dāng)t=80C時(shí)，竺=丄(-2.4%)=-1.2%。w2.0測量電路方框圖如圖13所示。（1）積分電路設(shè)計(jì)e-e-x圖13如圖14，積分電路的傳遞函數(shù)為e_C對數(shù)幅頻特性為L@)=-201g.Jl+(?RC)2圖14相頻特性為理想積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為對數(shù)幅頻特性為相頻特性為p(w)=-arctanwRC11H(jo)二1joRC11L(o)=-20lgoRC11對于實(shí)際電路應(yīng)該有RC11若取積分誤差5<1%，則有①RC 511 1%1+①RC11Hj)-|Hj①RC 511 1%1+①RC111|H(j?|」1 「_1 ①RC11即壯竺。RC11若電路為通頻帶，取f二10Hz~1000Hz，為了滿足低頻的要求，應(yīng)取f二10Hz,計(jì)算得9