磁电式振动传感器.docx
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磁电式振动传感器
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%FS
3.分辨率：
Sx=700mV-cm-1
4.测量范围：
可测得频率范围为0〜500Hz时，最人加速度为10
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e,则线圈内感应电动势与磁通的变化率成正比
1d0
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,贝Ijk二1.这时
d0
dt
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,弹赞刚度为k,阻尼器的阻尼系数为c,传感器壳体与被测刚体固定，线圈乂与壳体刚性固连,所以当被测体运动时，传感器的盍体和线圈产生相同的运动
设：
xO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为质最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，在它上而受到了3个里的作用
1.弹赞的弹性力：
Fl=KXt
2.阻尼器的阻尼力：
P二CXt
3.质量快的惯性力：
F=ma=m^
at厶
当受力平衡时，有S?
=1Fi=O,则有
由假设条件有
%二Xt+Xo
代入上式得
d2
（mS2+cS+K）xt=-mS2Zo
得到的传感器传递函数为
乂（S）二-恥2
%0nS24cSIK
令
w0=寤为传感器固有频率;
§A島相对阻尼力
代入上式得
令被测体作简谐运动
有兀0二sinwt式中，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
（w/wo）2
相频特性:
q）=-tanh_1
由上式可知名单W/WO»1时，则
xt/xQ=l
那么就可以近似认为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XO,此时可将质量块思维一个静止不懂的，这样就可以用测最线圈对质量块的相对运动Xt來代替被测体的绝对运动
传感器结构确定
d0
只要能够产生-厂不为0便能够产生感应电势，形成这种原理的基本元件应at
有两个，一个是磁路系统，由他来产生恒定的永久磁场，为了减少传感器体枳，故釆用永久磁铁，另一个是线圈，只要两者Z间令相对运动发生切割磁力线作用，就会产生感应电势,直人小与相对运动有关，因此，这种惯件式的测届方法可冇接将传感器安装在被测体匕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.弹费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GPG3o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。
G=|（G1+G2+G3）
1磁导q。
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
34
R=—=1.7cm
27
r=—=1.35cm
2
6=R・r=0.35cm
查《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12・2得
G.二§=13.7幻0讪
2磁导G。
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=2x0.261
这里1取平均周长，即1=2^（R+r）/2=8.478an
G.=12.25xlO^H
3磁导G3。
它是一个截面为半空心圆的旋转体，如图上所示。
査《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12・2得
这里1取平均周长，取m=则
4扩散磁导Gp为
5总磁导G为
G3=2.4x10_sH
Gp=G2+1=13.45xiO-H
G=G5+Gp=27.15xlO-，H
（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。
选用国产铝線钻永磁合金作永磁材料，其=12300Gs,Hc=500T,它的去磁
曲线和能量曲线如图7所示。
（lGs=10^T;10e=103（4^）_1A/m）
其中
=G=27.15xlO^H
打=0.4m
入=才（0.022?
-0.0062）=0.0014m2
niH102Oe106
叫103Gs4兀
'；6Z=80.79°o作出a角与去磁曲线的相交点即为匸作点M。
由图8可知,
在M点处的=12000Gs.Hg=2000e。
电路设计方案
图7-4磁电式传感器测St电路方框图
如上图所示其中VI的发射结电压为
V2用作温度补偿
■
・
lC2
〜〜—
R2
ube2=UTln
Ur
R2【s2
1C2是一个常量，V2的发射结电压为
U0通过R4,R5和热敏电阻Rt分压后加在VI和V2两发射结上
_Rs+Rt_=+〃BE1=-如1SR」s2
QR,+Rs+Rtbe2beitUrRJsi
若VI,V2为制作在同一芯片上的对称管，Isl=Is2,上式变成
选用具有IF温度系数的热敏点数Rt,使得供磐■与温度T成反比。
即町对Ut进行温度补偿
使用中，常通过选用适当的参数，使得需—可实现以】。
为底的对数运算
以卜为积分放人电路电路图
积分电路的传递函数为
H（j必
对数幅频特性为
L（（w）=-20lg丿+（拠防
相频特性为
0（0）=—arctaneRCj
理想积分环节的传递函数为
H（je）=
对数幅频特性为
相频特性为
对于实际电路应该有
L（劲=_201g码C]
0（血）=_彳
a）Uo）=—^―
若取积分误差则有
若电路为通频带，取f=10Hz〜1000Hz,为了满足低频的要求，应取f=10Hz,
OQ-
计算得（oc=17tfc>——,取Rj=1MQ=106Q,则
RjCj
q=1.57/zF
为了使信号不致衰减太严重，取R=2MG,q=2/zFo
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20Hz~600Hz的范圉内幅值误差为[5]=±5%,而，计算所得
J=1.5%,因Sv[5],故满足要求。
2、相位误差
由想频特性可知：
在50Hz时，（p=-163°20,对周期振动的可视为待测波形向后移过兀角，则相位差0=-163°20・，所以不满足50Hz时10。
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K的影响。
因平板弹赞片无计算公式，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/13,惯性矩为
Tbh3
I=
12
3Ebh3
1213
所以得
所以
AKAEAbAh、Al
=F33——
KEbh1
当有At温度变化时，
则有
AK
——一=QfEAt+At+3tznAt一3^At
K
K=
=AEbh3
式中E为弹性模量的温度系数，=^4x10^/°C
久,％,q为材料的膨胀系数，其值为0.176xlO-4/°Coi殳5=20°C为标准温度。
当工作温度为t=-10°C时，At=-10oC-20°C=-30oC,AK/K=+1.2%；
当工作温度为t=80°C时，AK/K=-2.4%0
（2）温度对列的影响。
根据珂=jK/m,得
绝=
1AK
+
1Ain
2K
2in
由于温度的变化不影响质暈m的变化，故△m=0,则
_1AK
~^=2~K
当t=-10*C时，—^=丄（+1.2%）=+0.6%:
©2
当t“C时，詐（*）=5
参考文献
[1]传感器（第4版）.机械工业出版社.2011.1
[2]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，2007.9
[3]新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002.1
[4]传感器原理与运用国防工业出版社20069
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