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：扌旨导教师：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： Sx 700mV cm 14. 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 .15设计理论基础磁电式

2、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=-k?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=-?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变化，因此,可制成不同

3、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-XO 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=CX3. 质量快的惯性

4、力：F=ma=?m?当受力平衡时，有E?=i?O，贝U有? +c由假设条件有?=?+?代入上式得?m?(?+c?+ k?=o? ?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土那么，上式变为(m?+cS+K)?=-m?得到的传感器传递函数为?+?+?E =-帚?相对阻尼力代入上式得?+2 E ?)?+?2?令被测体作简谐运动有？=? sin ?中，w为被测体振动频率，在此正弦信号的作用下，令jw=s,代入上式，得系统的频率传递函数为(?/?0)2?n?1+(希)2+2 E (?0)j相频特性:=-ta nh-1?2 E (?)1-(由上式可知名单 W/W0>>时，则?=1那

5、么就可以近似认为xt=xo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 一只要能够产生不为o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

6、考坐标依据以上的理论依据，设计传感器的结构图如下11；2=1二二二41.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G和扩散磁导 Gp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 G、g2、g3。两边磁路对称，总磁导G及工作点M求法如下。 （1） 求总磁导G。1 G G1 G2 G32 1 2 3 磁导G。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_34R= =

7、 1.7?227r = 1.35?2S =R-r=0.35cm新编传感器技术手册（李科杰主编）P358表12-2得厂 2坯G, =- = 117x10-竺出竺学空Ms1111.7 磁导G2。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G> 2G 2 0.261 0这里I取平均周长，即12 R r /2=8.478cm8G212.25 10 H 磁导G3。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G3 2G2l 0这里I取平均周长，取m 1.6，则G32.410 8h扩

8、散磁导Gp为GpG2G3813.4510H2总磁导G为GGgp27.15108h（2）求工作点M。利用总磁导G和去磁曲线，用作图法找到工作点 M。选用国产铝镍钻永磁合金作永磁材料，其Br 12300Gs, H c 500T,它的去磁曲线和能量曲线如图7所示。（1Gs 104T;1Oe 103（4 ） 1A/m）ta nThAgAm其中G G 27.15 10 8Hlm 0.4m2 2 2片 (0.0220.006 )0.0014mmH102Oe 1063mB10 Gs4解得 80.79。作出 角与去磁曲线的相交点即为工作点 M。由图8可知,在 M 点处的 Bm 12000Gs,Hg 200Oe

9、。电路设计方案(1)积分电路设计微分电路-1 ILJ 益阳錯励置放大上”分电路一L主放人器或1 Ji貧 JT勺苦倚tj 7图7-4磁电式传感器测量电路方框图图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?1= ?1V2用作温度补偿?C2?2?拧iC2是一个常量，V2的发射结电压为?2= ? -?2U0通过R4, R5和热敏电阻Rt分压后加在 V1和V2两发射结上?沧+? = ?e2 + ?ei = -?n 空遅20?2+?石+?BE2BEI若V1 , V2为制作在同一芯片上的对称管， Is1=ls2，上式变成?=存件"壽选用具有正温度系数的热敏点数Rt，使得？?爲:?

10、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?m=i6.7,可实现以io为底的对数运算? + ? = -ig?(?以下为积分放大电路电路图c积分电路的传递函数为H(j )11 j R1C1Ri对数幅频特性为L()20lg V1 ( RiG)2图14相频特性为arctan RCi理想积分环节的传递函数为H(j )1j R1C1对数幅频特性为相频特性为L( ) 20lg RG对于实际电路应该有R1C1若取积分误差1%，则有Hi(j )| |H(j )Hi(j )R1C11R1C11冬 1%1R1C199R1C1若电路为通频带，取fR1C110Hz1000Hz ,为了满足

11、低频的要求，应取f 10 Hz,计算得c 2 fc99，取R1R1C11M =106，则C11.57 F为了使信号不致衰减太严重，取 R 2M ，C12 F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20 Hz600Hz的范围内幅值误差为5%，而，计算所得1.5%，因2、相位误差，故满足要求由想频特性可知：在50Hz时,163 20'，对周期振动的可视为待测波形向后移过 角，则相位差16320'，所以不满足50Hz时10的要求，需通过电路对相位进行

12、校正。3、温度误差（1）温度对刚度K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K 3EI /l3，惯性矩为bh3123Ebh3AEbh3所以得所以KEKE当有t温度变化时，则有吩EtK上33b h lb t 3 n t 3 ! t式中E为弹性模量的温度系数，E 4 10 4 / Cb，n，1为材料的膨胀系数，其值为0.176 10 4 / C设t020 C为标准温度当工作温度为 t 10C 时，t 109 20C30 C， K/K 1.2% ； 当工作温度为t 809时，K/K 2.4%(2) 温度对°的影响。根据°. K / m，得1 m2m由于温度的变化不影响质