磁电式振动传感器

1、湖 南 科 技 大 学课 程 设 计课程设计名称： 传感器/测控电路课程设计学 生 姓 名： 戴见宇 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 10级测控技术与仪器3班 学 号： 10003030301 指 导 教 师： 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：4.测量范围：可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10目录设计理论基础 4相对测量数学模型.4传感器结构确定.6磁电式传感器参数计算.7电路设计方案10误差分析.14参考文献

2、.15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=-kddt 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=1.这时 e=-ddt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

3、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：x0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

4、惯性力：F=ma=md2Xmdt2当受力平衡时，有i=1nFi=0，则有 md2Xmdt2+cdxtdt+KXt=0由假设条件有 xm=Xt+X0 代入上式得 md2(xt+x0)dt2+cdxtdt+ KXt=0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=ddt那么，上式变为 (mS2+cS+K)xt=-mS2x0 得到的传感器传递函数为 xtx0(S)= -mS2nS2+cS+K 令 w0=Km为传感器固有频率；=-c2mK相对阻尼力代入上式得 xtx0(S)= -mS2nS2+2w0S+w02令被测体作简谐运动有x0=x0msinwt式中，w为被测体振动频率，在此正弦信号的作用

5、下，令jw=s，代入上式，得系统的频率传递函数为 xtx0(jw)=(w/w0)21+(ww0)2+2(ww0)j 相频特性： =-tanh-12(ww0)1-(ww0)2 由上式可知名单W/W0>>1时，则xt/x0=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X0，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 依据e=ddt，只要能够产生ddt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

6、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1. 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，计算气隙磁导和扩散磁导值。由于铝和铜是不导磁体，相当于空气隙一样，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。两边磁路对称，总磁导及

7、工作点求法如下。（1） 求总磁导。 磁导。它是一个界面为矩形的旋转体，是属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=342=1.7cmr=272=1.35cm =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。它是一个截面为半圆（直径为）的旋转体，如图5所示同理，查新编传感器技术手册（李科杰主编）P358表12-2得这里取平均周长，即=8.478cm 磁导。它是一个截面为半空心圆的旋转体，如图上所示。查新编传感器技术手册（李科杰主编）P358表12-2得这里取平均周长，取，则扩散磁导为总磁导为（2） 求工作点。利用总磁导和去磁曲线，用作

8、图法找到工作点。选用国产铝镍钴永磁合金作永磁材料，其它的去磁曲线和能量曲线如图7所示。其中解得。作出角与去磁曲线的相交点即为工作点。由图8可知，在点处的。电路设计方案（1） 积分电路设计图3 具有温度补偿的对数放大电路如上图所示其中V1的发射结电压为 uBE1=UTlnuiR1Is1V2用作温度补偿 iC2i2UrR2iC2是一个常量，V2的发射结电压为 uBE2=UTlnuRR2Is2U0通过R4，R5和热敏电阻Rt分压后加在V1和V2两发射结上 U0R5+RtR4+R5+Rt=UBE2+UBE1=-UTlnUiR2Is2URR1Is1若V1，V2为制作在同一芯片上的对称管，Is1=Is2，

9、上式变成 U0=-UTR4+R5+RtR5+RtlnuiR2uiRR1选用具有正温度系数的热敏点数Rt，使得R4+R5+RtR5+Rt与温度T成反比。即可对Ut进行温度补偿使用中，常通过选用适当的参数，使得R4+R5+RtR5+Rt=16.7，可实现以10为底的对数运算U0=-lg(R2UrR1ui)以下为积分放大电路电路图 对数幅频特性为 积分电路的传递函数为 图14相频特性为理想积分环节的传递函数为对数幅频特性为相频特性为对于实际电路应该有若取积分误差，则有即。若电路为通频带，取，为了满足低频的要求，应取Hz，计算得，取，则为了使信号不致衰减太严重，取，。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、相位和温度误差分别分析计算如下。1、幅值误差在频率为的范围内幅值误差为，而，计算所得，因，故满足要求。2、相位误差由想频特性可知：在50Hz时，对周期振动的可视为待测波形向后移过角，则相位差，所以不满足50Hz时的要求，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，惯性矩为所以得所以当有温度变化时，则有式中 为弹性模量的温度系数， 为材料的膨胀系数，其值为。设为标准温度。当工作温度为时，；当工作温度为时，。（2） 温