傳感器課程設(shè)計(jì)磁電式傳感器測(cè)振動(dòng)位移

1、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(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 楊書儀 凌啟輝 2017 年 6 月 12 日傳感器、測(cè)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)2、 設(shè)計(jì)要求 （1）測(cè)得位移靈敏度為（2） 可測(cè)得頻率范圍為0500Hz時(shí)，最大加速度為10g。（3） 可測(cè)得頻率在0600Hz、振幅范圍為時(shí)，幅值誤差為；相位誤差在50Hz時(shí)為。（4） 工作溫度為目 錄一、 確定結(jié)構(gòu)01二、 原始給定數(shù)據(jù)01三、 磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算024、 誤差分析105、 測(cè)量電路的

2、設(shè)計(jì)126、 繪制測(cè)振傳感器的電路圖147、 附錄158、 參考資料15正 文1、 確定結(jié)構(gòu)所選定的結(jié)構(gòu)如下圖1所示，它是為測(cè)量振動(dòng)用的一種磁電式傳感器。圖1二、原始給定數(shù)據(jù)（1）測(cè)得位移靈敏度為（2）可測(cè)得頻率范圍為0500Hz時(shí)，最大加速度為10g。（3）可測(cè)得頻率在0600Hz、振幅范圍為時(shí)，幅值誤差為；相位誤差在50Hz時(shí)為。（4）工作溫度為三、磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算1、磁路計(jì)算測(cè)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(chǎng)分割法，計(jì)算氣隙磁導(dǎo)和擴(kuò)散磁導(dǎo)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)磁場(chǎng)分布趨勢(shì)，可將每一邊的磁導(dǎo)近似分割成如圖3所示的。兩邊

3、磁路對(duì)稱，總磁圖2 、3導(dǎo)及工作點(diǎn)求法如下。（1） 求總磁導(dǎo)。磁導(dǎo)。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查新編傳感器技術(shù)手冊(cè)（李科杰主編）P358表12-2得磁導(dǎo)。它是一個(gè)截面為半圓（直徑為）的旋轉(zhuǎn)體，如圖5所示同理，查新編傳感器技術(shù)手冊(cè)（李科杰主編）P358表12-2得這里取平均周長(zhǎng)，即=18.85cm圖4 圖5磁導(dǎo)。它是一個(gè)截面為半空心圓的旋轉(zhuǎn)體，如圖6所示。查新編傳感器技術(shù)手冊(cè)（李科杰主編）P358表12-2得這里取平均周長(zhǎng)，取，則圖6 圖7擴(kuò)散磁導(dǎo)為總磁導(dǎo)為（2） 求工作點(diǎn)。利用總磁導(dǎo)和去磁曲線，用作圖法找到工作點(diǎn)。選用國(guó)產(chǎn)鋁鎳鈷

4、永磁合金作永磁材料，其它的去磁曲線和能量曲線如圖7所示。其中解得。作出角與去磁曲線的相交點(diǎn)即為工作點(diǎn)。由圖8可知，在點(diǎn)處的。2、線圈設(shè)計(jì)及靈敏度估算線圈設(shè)計(jì)的根據(jù)是：滿足給定靈敏度的要求；滿足線圈電阻與負(fù)載電阻的匹配；線圈散熱；磁場(chǎng)反應(yīng)等問題。（1）線圈的設(shè)計(jì)。取線圈直接繞在骨架上，繞完后再包兩層厚的電容紙，兩種線圈均用漆包線，其裸導(dǎo)線直徑，絕緣導(dǎo)線直徑，工作線圈最大匝數(shù)估算如下。工作線圈最大匝數(shù)為式中則補(bǔ)償線圈最大匝數(shù)實(shí)際線圈的匝數(shù)。因?yàn)楣ぷ骶€圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 補(bǔ)償線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為為達(dá)到完全補(bǔ)償，使，則,設(shè)計(jì)時(shí)取匝，匝。（2）靈敏度的估算。線圈的感應(yīng)電勢(shì)為，則其有效值為總電動(dòng)勢(shì)即圖8由圖

5、8得每匝線圈的平均長(zhǎng)度為則所以，傳感器的靈敏度為如果設(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本設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求：待測(cè)頻率為時(shí)，允許幅值誤差為；相位誤差在50Hz時(shí)為。由幅頻特性可知：當(dāng)取時(shí)，即能滿足，因此初步選定由，于是得。4、 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的要求，也要保證彈簧在垂直工作時(shí)，不至于產(chǎn)生過于嚴(yán)重的靜繞度。設(shè)為傳感器運(yùn)動(dòng)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(dòng)部分的

6、總重量=0.28N，則的值為靜繞度為對(duì)于各種板簧，常常允許繞度限于，本設(shè)計(jì)測(cè)量振幅范圍為，故彈簧片得最大繞度為顯然，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，則剛度為由故（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9 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。阻尼筒中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為其中式中 為阻尼筒平均長(zhǎng)度，且有 為阻尼筒運(yùn)動(dòng)速度（cm/s）； 為阻尼筒電阻，且有由該電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流為由電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流受磁場(chǎng)作用的洛倫茲力為從而得到相對(duì)阻尼度為6、 頻率特性的計(jì)算（1） 幅頻特性為（2）相頻特性曲線分別如圖11,12四、 誤

7、差分析傳感器的誤差分為穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差，對(duì)于有規(guī)律的周期性振動(dòng)，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(duì)幅值、相位和溫度誤差分別分析計(jì)算如下。1、幅值誤差在頻率為的范圍內(nèi)幅值誤差為，而，計(jì)算所得，因，故滿足要求。2、相位誤差由想頻特性可知：在50Hz時(shí)，對(duì)周期振動(dòng)的可視為待測(cè)波形向后移過角，則相位差，所以不滿足50Hz時(shí)的要求，需通過電路對(duì)相位進(jìn)行校正。3、溫度誤差（1）溫度對(duì)剛度的影響。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，慣性矩為所以得所以當(dāng)有溫度變化時(shí)，則有式中 為彈性模量的溫度系數(shù)， 為材料的膨脹系數(shù)，其值為。設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)溫度。當(dāng)工作溫度為時(shí)，；當(dāng)工作溫度為時(shí)，。（2） 溫度對(duì)的影響。根據(jù)，得由于溫度的變化不影響質(zhì)量的變化，故，則當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。5、 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)測(cè)量電路方框圖如圖13所示。（1） 積分電路設(shè)計(jì)圖13 對(duì)數(shù)幅頻特性為 如圖14，積分電路的傳遞函數(shù)為 圖14相頻特性為理想積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為對(duì)數(shù)幅頻特性為相頻特性為對(duì)于實(shí)際電路應(yīng)該有若取積分誤差，則有即。若電路為通頻帶，取，為了滿足低頻的要求，應(yīng)取Hz，計(jì)算得，取，則為了使信號(hào)不致衰減太嚴(yán)重，取，。6、 繪制測(cè)振傳感器的電路圖電路框圖如下圖157、 附錄1、 裝配圖（1張）2、 零件圖（1張）3、 測(cè)控電路（1張）