传感器课程设计(磁电式传感器测振动位移)(10页).doc

-传感器课程设计(磁电式传感器测振动位移)-第 - 5 - 页湖 南 科 技 大 学课 程 设 计课程设计名称： 磁电感应式位移传感器 学 生 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 号： 指 导 教 师： 杨书仪 凌启辉 2017 年 6 月 12 日传感器、测控电路课程设计任务书一、设计题目磁电感应式位移传感器的设计二、 设计要求 （1）测得位移灵敏度为（2） 可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10g。（3） 可测得频率在0600Hz、振幅范围为时，幅值误差为；相位误差在50Hz时为。（4） 工作温度为目 录一、 确定结构01二、 原始给定数据01三、 磁电式传感器的参数设计计算02四、 误差分析10五、 测量电路的设计12六、 绘制测振传感器的电路图14七、 附录15八、 参考资料15正 文一、 确定结构所选定的结构如下图1所示，它是为测量振动用的一种磁电式传感器。图1二、原始给定数据（1）测得位移灵敏度为（2）可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10g。（3）可测得频率在0600Hz、振幅范围为时，幅值误差为；相位误差在50Hz时为。（4）工作温度为三、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，总磁图2 、3导及工作点求法如下。（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=18.85cm图4 图5磁导。它是一个截面为半空心圆的旋转体，如图6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，则图6 图7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。2、线圈设计及灵敏度估算线圈设计的根据是：满足给定灵敏度的要求；满足线圈电阻与负载电阻的匹配；线圈散热；磁场反应等问题。（1）线圈的设计。取线圈直接绕在骨架上，绕完后再包两层厚的电容纸，两种线圈均用漆包线，其裸导线直径，绝缘导线直径，工作线圈最大匝数估算如下。工作线圈最大匝数为式中则补偿线圈最大匝数实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为 补偿线圈的感应电动势为为达到完全补偿，使，则,设计时取匝，匝。（2）灵敏度的估算。线圈的感应电势为，则其有效值为总电动势即图8由图8得每匝线圈的平均长度为则所以，传感器的灵敏度为如果设计技术指标给出了灵敏度的要求，可先根据灵敏度的要求，用相反的方法去试凑线圈的匝数，经多次计算，确实达不到要求时，就要改变磁路尺寸，这样反复多次直到满足为止。3、 传感器的固有频率及阻尼度的初步估算幅频特性本设计技术指标要求：待测频率为时，允许幅值误差为；相位误差在50Hz时为。由幅频特性可知：当取时，即能满足，因此初步选定由，于是得。4、 传感器的刚度和弹簧设计（1） 刚度的计算。传感器的刚度要考虑满足的要求，也要保证弹簧在垂直工作时，不至于产生过于严重的静绕度。设为传感器运动部分的总重量。根据各零件的尺寸和所用材料的比重，可求的活动部分的总重量=0.28N，则的值为静绕度为对于各种板簧，常常允许绕度限于，本设计测量振幅范围为，故弹簧片得最大绕度为显然，这个值太大了，所以这个设计是不合理的。应给与适当补偿。现取，则刚度为由故（2） 弹簧的设计。本设计采用的弹簧片的结构如图9所示。图9 图105、 阻尼系数的计算电磁阻尼器的结构如图10所示。阻尼筒采用铝材料，壁厚为。阻尼筒中感应电动势为其中式中 为阻尼筒平均长度，且有 为阻尼筒运动速度（cm/s）； 为阻尼筒电阻，且有由该电动势产生的电流为由电动势产生的电流受磁场作用的洛伦兹力为从而得到相对阻尼度为6、 频率特性的计算（1） 幅频特性为（2）相频特性曲线分别如图11,12四、 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） 温度对的影响。根据，得由于温度的变化不影响质量的变化，故，则当时，；当时，。五、 测量电路的设计测量电路方框图如图13所示。（1） 积分电路设计图13 对数幅频特性为 如图14，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，。六、 绘制测振传感器的电路图电路框图如下图15七、 附录1、 装配图（1张）2、 零件图（1张）3、 测控电路（1张）参考文献：1 传感器（第4版）.机械工业出版社.2011.12 MATLAB程序设计教程. 中国铁道出版社，2006.63 传感器设计基础（课程设计与毕业设计指南）. 国防工业出版社，2007.94 新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002.1