傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告磁電式傳感器測振動(dòng)位移

--可修---可修-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(hào)：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(2)可測得頻率圍為0~500Hz時(shí)，最大加速度為100。(3)可測得頻率在0~600也、振幅圍為±5Nm~±1mm時(shí)，幅值誤差為±5%;相位誤差在50Hz時(shí)為10。(4)工作溫度為-10C~80C--可修-確定結(jié)構(gòu)…………………01原始給定數(shù)據(jù)……………01磁電式傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算…………02誤差分析…………………10測量電路的設(shè)計(jì)…………12繪制測振傳感器的電路圖………………14附錄………………………15參考資料…………………15-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(dòng)用的一種磁電式傳感器。圖1二、原始給定數(shù)據(jù)(1)測得位移靈敏度為S=700mVcm-1x(2)可測得頻率圍為0~500Hz時(shí)，最大加速度為10g。(3)可測得頻率在0~600Hz、振幅圍為±5.m~±1mm時(shí)，幅值誤差為±5%；相位誤差在50Hz時(shí)為10。(4)工作溫度為-10。。?80C-可修---可修---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)磁日 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=-(GG=-(G+G+G)2123①磁導(dǎo)G①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33R=一33R=一mm227r=——mm=1.65cm=1.35cm28=R-r=0.3cm查《新編傳感器技術(shù)手冊》(科杰主編)P358表12-2得=27.4x10-8Hln2叫l(wèi)_2x3.14x0.7=27.4x10-8HlnIn一

rG=1G=13.7x10-8Hs21②磁導(dǎo)G2。它是一個(gè)截面為半圓（直徑為S）的旋轉(zhuǎn)體，如圖5所示同理，查《新編傳感器技術(shù)手冊》（科杰主編）P358表12-2得G=2G=2x0.261日20這里1取平均周長，即1=2兀（R+r）/2=18.85cmG=12.25x10-8H2圖4圖圖4圖5③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1取平均周長，取m=1.6-，則G=2.4x10-8H3圖6 圖7④擴(kuò)散磁導(dǎo)G為pGG=G+一=13.45x10-8Hp22⑤總磁導(dǎo)G為G=G+G=27.15x10-8H5p(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=12300Gs,H=500T,它的去磁曲線和能量rc曲線如圖7所示。(1Gs=10-4T;1Oe=103(4兀)-1A/m)mltana H-m-GmA55Bm其中 .G=G=27.15x10-8H55l=0.4mmA=n(0.0222-0.0062)=0.0014m2mm 102Oe106—H= = m 103Gs4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=200Oe。Mg2、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=0.05mm，絕緣導(dǎo)線直徑d=0.65mm，工作線圈最大1匝數(shù)N工作估算如下。①工作線圈最大匝數(shù)為N=4A-k兀d2g式中A=hlkkh=h—2x0.015=1.47mm(取h=1.45mm)

kkl=15,k=0.35kg則N =0.354x1.45X15氏3850匝工作 兀0.052②補(bǔ)償線圈最大匝數(shù)N=0.354X1.45X15“3320匝補(bǔ) 兀0.052③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 =BIN0x10-8工作~11補(bǔ)償線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢為e=BlN0x10-8

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) 2 1 1 2(2)靈敏度的估算。線圈的感應(yīng)電勢為e=BINo，則其有效值為11BlN0E=e=-1」

有效 、：2總電動(dòng)勢E=E+E8p即由圖8即由圖8得7N=7N=3000x—15>1400,N=3000-1400=1600p每匝線圈的平均長度為l=兀每匝線圈的平均長度為l=兀*30.59=9.6cm1E=E+E8p(BN+BN)lu

8 8pp1所以，傳感器的靈敏度為(BN+BN)lx10-88 8pp1x(3200x(3200x1400+1000x1600)x9.6x10-8=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（3）=x—tx022?321---2C—33l0；L 0」2l/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C=0.6時(shí)，3/3=1.8，即能滿足x/x=±5%,因此0初步選定——=2,。=0.630由303下=少2下=kx20=62.8(f下=20Hz)，于是得f0=10Hz。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(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)部分的總重量W=0.28N,則K的值為3232WK=f=t氏0.113N/mmmg靜繞度為f=W=".2.5mmsK0.113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日m~±1mm，故彈簧片得最大繞度為f=f+1=2.5+1=3.5mmssmax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。現(xiàn)取fs=2mm，則剛度為K二W于.0.28 =0.14N/mm2300.14義9800” 二70s-10.28KgWf=Q=70-=11.2Hz

0 2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。044044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0.17cm。阻尼筒中感應(yīng)電動(dòng)勢為e=Blux10-8(7)

阻cp其中BcpBcp3200+.二2100x10-4T式中l(wèi)為阻尼筒平均長度，且有l(wèi)=l=kdcp二兀28.3+3L7=9.42cmu為阻尼筒運(yùn)動(dòng)速度（cm/s）;R為阻尼筒電阻，且有

l一兀d 9.42 一R=p—=5X10-6—cp=5X10-6 =1.7X10-4QA lt 1.72x0.171由該電動(dòng)勢產(chǎn)生的電流為I=e/R

阻由電動(dòng)勢e阻產(chǎn)生的電流受磁場作用的洛倫茲力Pd為P=2.41x10-10Nd從而得到相對阻尼度為2.41X2.41X103 二0.6423m2X70X280I3-_07①I3-_07①(3)=-arctan2c336、頻率特性的計(jì)算(1)幅頻特性為xxA(3)=—t-=x0(2)相頻特性I3。7曲線分別如圖11,12--可修---可修---可修- 。四、誤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的圍幅值誤差為瓜］=±5%，而，計(jì)算所得5=1.5%，因5'＜位］,故滿足要求。2、相位誤差由想頻特性可知：在50Hz時(shí)，P=—16320’,對周期振動(dòng)的可視為待測波形向后移過兀角，則相位差①=—16320',所以不滿足50Hz時(shí)10的要求，需通過電路對相位進(jìn)行校正。o O3、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AEAAEAb Ah A1+——+3———3—bh1AK當(dāng)有AtAK=aAt+aAt+3aAt-3aAt

Eb 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/C。bn1

設(shè)t二20C為標(biāo)準(zhǔn)溫度。0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3的影響。根據(jù)3=、K7m,得0 01Am1Am+ 2m 0-=30由于溫度的變化不影響質(zhì)量m的變化，故Am=0，則A3 1AK 0- TOC\o"1-5"\h\z3 2K0當(dāng)t--10C時(shí)，A/=—(+1.2%)=+0.6%;32o 0當(dāng)t-80C時(shí)，A"。=-(-2.4%)=-1.2%。32C 0五、測量電路的設(shè)計(jì)測量電路方框圖如圖13所示。（1）積分電路設(shè)計(jì)ee一x圖13圖13如圖14，積分電路的傳遞函數(shù)為H(H(j3)二1+j3RCiie一一e一一~C,,e對數(shù)幅頻特性為 °L(3)=-20lg\；1+(3R1C1)2圖14圖14相頻特性為①①(3)=-arctan3RC11理想積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為理想積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為對數(shù)幅頻特性為1對數(shù)幅頻特性為1H(j3)=-j3RC11LL(3)=—20lg3RC11相頻特性為①相頻特性為①(3T對于實(shí)際電路應(yīng)該有c—~RC11TOC\o"1-5"\h\z若取積分誤差5<1%，則有 》①RC

^-1— 1%1+①RC

11《H(j①)ITH(j①RC

^-1— 1%1+①RC

11《—1 !~! !-=—— 二1一H(j①)| 11 ①RC即①即①》29_。RC11若電路為通頻帶，取f=10Hz?100