传感器课程设计(磁电式传感器测振动位移)

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

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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Sx700mVcm1

（2）可测得频率范围为0~500Hz时，最大加速度为10g。

（3）可测得频率在0~600Hz、振幅范围为5m~1mm时，幅值误差为

5%；相位误差在50Hz时为10。

（4）工作温度为10C~80C

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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

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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Sx700mVcm1

（2）可测得频率范围为0~500Hz时，最大加速度为10g。

（3）可测得频率在0~600Hz、振幅范围为5m~1mm时，幅值误差为

5%；相位误差在50Hz时为10。

（4）工作温度为10C~80C

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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

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G1、G2、G3。两边磁路对称，总磁

图2 、3

导G及工作点M求法如下。 （1） 求总磁导G。

G1G1G2G3 2①磁导G1。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

33mm1.65cm227rmm1.35cm

2Rr0.3cmR查《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12-2得

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20l23.140.71.25108G127.4108HR1.65lnln r1.351GG113.7108H2②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

G22G20.26l0

这里l取平均周长，即l2Rr/2=18.85cm

G212.25108H

图4 图5

③磁导G3。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

G32G22l0 1m这里l取平均周长，取m1.6，则

G32.4108H

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图6 图7

④扩散磁导Gp为

GpG2G313.45108H 2⑤总磁导G为

GGGp27.15108H

（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。

选用国产铝镍钴永磁合金作永磁材料，其Br12300Gs,Hc500T,它的去磁曲线和能量曲线如图7所示。(1Gs104T;1Oe103(4)1A/m)

tanmHlmG

mBAm其中

GG27.15108Hlm0.4mAm(0.02220.0062)0.0014m2 mH102Oe1063mB10Gs4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。

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2、线圈设计及灵敏度估算

线圈设计的根据是：①满足给定灵敏度的要求；②满足线圈电阻与负载电阻的匹配；③线圈散热；④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0.015mm厚的电容纸，两种线圈均用47#漆包线，其裸导线直径d0.05mm，绝缘导线直径d10.65mm，工作线圈最大匝数N工作估算如下。

①工作线圈最大匝数为

N4Ad2kg 式中

Ahklkhkh20.0151.47mm(取hk1.45mm) lk15,kg0.35则

N41.4515工作0.350.0523850匝

②补偿线圈最大匝数

N补0.31.45150.0523320匝

③实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为

e工作B~l1N1108

补偿线圈的感应电动势为

e8补B~l2N210

为达到完全补偿，使e工作e补，则N20.792N1,设计时取N13000匝，（2）灵敏度的估算。线圈的感应电势为eBl1N1，则其有效值为

EeBl1N1有效2 总电动势

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N22380匝。

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EEEp

即

N1NNp

图8

由图8得

N300071400,Np300014001600 15每匝线圈的平均长度为

l130.599.6cm

则

EEEp所以，传感器的灵敏度为

BNBpNpl12 8EBNBpNpl110Sx232001400100016009.6

2108414mVcm1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

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Axtx0022

221200本设计技术指标要求：待测频率为20Hz~600Hz时，允许幅值误差为5%；相位误差在50Hz时为10。由幅频特性可知：当取0.6时，/01.8，即能满足xt/x05%，因此初步选定

2,0.6 0由0下22f下2062.8(f下20Hz)，于是得f010Hz。 24、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f0f下/3(本例为f0f下/2)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W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W=0.28N，则K的值为

K02m02Wg0.113N/mm

静绕度为

fW0.282.5mm K0.113对于各种板簧，常常允许绕度限于1mm~25mm，本设计测量振幅范围为5m~1mm，故弹簧片得最大绕度为

fmaxf12.513.5mm

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f2mm，则刚度为

K精彩文档

W0.280.14N/mm f2实用标准文案

由

0故

Kg0.14980070s1 W0.28f007011.2Hz 22（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10

5、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0.17cm。 阻尼筒中感应电动势为

e阻Bcpl108(V)

其中

BcpBBp2320010002100104T 2式中 l为阻尼筒平均长度，且有

ldcp28.331.79.42cm 2 为阻尼筒运动速度（cm/s）； R为阻尼筒电阻，且有

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Rdl9.425106cp51061.7104 Al1t1.720.17由该电动势产生的电流为

Ie阻/R

由电动势e阻产生的电流受磁场作用的洛伦兹力Pd为

Pd2.411010N

从而得到相对阻尼度为

2.411030.

20m27028c6、频率特性的计算 （1）幅频特性为

022A()xtx0 221200（2）相频特性

2()arctan0210

曲线分别如图11,12

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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20Hz~600Hz的范围内幅值误差为5%，而，计算所得'1.5%，因

'[]，故满足要求。 2、相位误差

'16320'，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16320'，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

bh3I

12所以得

3Ebh3KAEbh3 312l所以

KEbhl33 KEbhl当有t温度变化时，则有

KEtbt3nt31t K式中 E为弹性模量的温度系数，E4104/C

b,n,1为材料的膨胀系数，其值为0.176104/C。

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设t020C为标准温度。

当工作温度为t10C时，t10C20C30C，K/K1.2%； 当工作温度为t80C时，K/K2.4%。 （2）温度对0的影响。根据0K/m，得

001K1m 2K2m由于温度的变化不影响质量m的变化，故m0，则

01K 2K0当t10C时，

001(1.2%)0.6%； 2当t80C时，

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001(2.4%)1.2%。 2实用标准文案

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

exx测振计exex测量电路放大器指示并记录ex电源

图13

如图14，积分电路的传递函数为

H(j)11jR1C 1对数幅频特性为 L()20lg1(R21C1) 相频特性为

arctanRC11

理想积分环节的传递函数为

H(j)1jRC

11对数幅频特性为

L()20lgR1C1

相频特性为

2

对于实际电路应该有

c1R 1C1若取积分误差1%，则有

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R1eiC1eo•图14

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11H(j)H(j)R1C11R1C1R1C1111H1(j)1R1C1R1C11%

即99。 R1C1若电路为通频带，取f10Hz~1000Hz，为了满足低频的要求，应取f10Hz，计算得

c2fc99，取R11M=106，则 R1C1C11.57F

为了使信号不致衰减太严重，取R12M，C12F。

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六、绘制测振传感器的电路图

电路框图如下

传感器积分电路前置放大电路衰减器放大器示波器稳压电源 图15

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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：

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[1] 传感器（第4版）.机械工业出版社.2011.1 [2] MATLAB程序设计教程. 中国铁道出版社，2006.6

[3] 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 [4] 新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002.1

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