磁电式振动测速仪的设计

1燕山大学课程设计说明书课程名称传感器原理与设计题目磁电式振动速度传感器学院（系）电气工程学院年级专业检测13-1学号130103020078学生姓名李瑞航指导教师杨丽丽教师职称讲师传感器原理与设计课程设计说明书1目录第1章需求分析与方案选择............................................................................1.1设计内容...................................................................................................1.2文献调研...................................................................................................1.2方案选择...................................................................................................第2章理论设计................................................................................................2.1测量原理...................................................................................................2.2理论推导...................................................................................................2.3参数计算...................................................................................................2.3.1传感单元参数计算.............................................................................2.3.2测量电路参数计算.............................................................................2.3.3调理电路参数计算.............................................................................第3章系统验证................................................................................................4.1系统测试与实验验证...............................................................................第4章设计收获................................................................................................参考文献..............................................................................................................传感器原理与设计课程设计说明书2第1章需求分析与方案选择1.1设计内容1.理论设计方案及论证2.传感器结构设计、理论分析、参数计算3.测量电路设计、分析、参数计算4.绘出传感器的结构示意图和测量电路图5.结合传感器实验平台，将磁电传感器应用于振动测量，分析其动态特性6.设计实验，比较与压电式传感器输出波形的相位差，分析其原因。7.提交课程设计说明书1.2文献调研传感器的发展史及新型传感器的发展方向今天，信息技术对社会发展信、科学进步起到了决定性的作用。现在信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理，而信息的采集离不开传感器技术。所以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业，是21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力传感器(如上述EJX变送器)。微电子机械加工技术，包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术(X光深层光刻、微电铸和微复制技术)、激光微加工技术和微型封装技术等。传感器原理与设计课程设计说明书3MEMS的发展，把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。传感器的检测仪表，在微电子技术基础上，内置微处理器，或把微传感器和微处理器及相关集成电路(运算放大器、A/D或D/A、存贮器、网络通讯接口电路)等封装在一起完成了数字化、智能化、网络化、系统化。(注：MEMS技术还完成了微电动机或执行器等产品，将另作文介绍)网络化方面，目前主要是指采用多种现场总线和以太网(互联网)，这要按各行业的特点，选择其中的一种或多种，近年内最流行的有FF、Profibus、CAN、Lonworks、AS-Interbus、TCP/IP等。除MEMS外，新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型量子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感器等。多传感器数据融合技术正在形成热点，它形成于20世纪80年代，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。有鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上，多种功能进一步集成以致于融合，这是必然的趋势，多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展。多传感器数据融合的定义概括：把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层(像素层)融合、特征层融合、决策层(证据层)融合。由于它比单一传感器信息有如下优点，即容错性、互补性、实时性、经济性，所以逐步得到推广应用。应用领域除军事外，已适用于自动化技术、传感器原理与设计课程设计说明书4机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。我国传感器产业要适应技术潮流，向国内外两个市场相结合的国际化方向发展，让传感器和检测仪表抓住信息化的发展机遇。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。随着科技的发展，传感器也在不断的更新发展。1.3设计方案动圈式震动测速器传感器原理与设计课程设计说明书5a实物模型b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,弹簧刚度为K，阻尼器的阻尼系数为c,传感器的壳体与被测体刚性固定，线圈又与壳体刚性固连，所以当被测体运动时，传感器的壳体和线圈产生相同运动。设：xo为被测体（振动体）的绝对运动位移，xm为质量块（磁钢）的绝对运动位移；xt=xm-xo为质量块与壳体（被测体）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，我们取永久磁体为隔离体，当被测体产生位移xo时，在它上面受到三个力的作用：FK=KxtP=cdxdtF=ma=md2xmdt2Fk+P+F=Kxt+cdxtdt+md2xmdt2=0xt=xm−xo→md2(xt+xo)dt2+cdxtdt+Kxt=0拉氏变换后：(mS2+cS+K)xt=−mS2x0线圈永久磁铁传感器原理与设计课程设计说明书6传递函数为：xtxo=−mS2(mS2+cS+K)令：ωo=√Km,ξ=c2√mk代入上式：xtxo=−S2S2+2ξωoS+ω02令S=jωxtxo=−(ω/ω02)21+j2ξ(ω/ω02)+(ω/ω02)2幅频特性：相频特性：200)(1)(2arctg分析幅频、相频：1100xxt这就是说，当被测体的振动频率比传感器的固有频率大得很多时（通常3即可），质量块（磁钢）与被测体（线圈）之间的相对运动位移Xt，就接近于被测体的绝对位移。此时可将质量块视为一个静止坐标而言是静止不动的，这样就可以用测量线圈对质量块的相对运动代替被测物体（线2022020)/(2)/(1)/(otxx传感器原理与设计课程设计说明书7圈）的绝对运动xo。这就是相对测量的基本原理，所不同的是当M/N1、且f1时，则是xt与xo相差180。由设计要求可知，其测速较大，振动频率较高，由此产生的非线性误差基本为零。传感器原理与设计课程设计说明书8第2章理论设计及方案选择2.1结构原理：线圈和外壳固定在振物上随外界振动；磁铁，阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动。因此他们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁感线，于是线圈就会产生正比与振动速度的感应电动势。2.2理论推导e=−NdφdTφ=B∙S=BlxsinθE=−NBldxdtsinθB:磁场的磁感应强度L:单匝线圈的有效长度N:匝数V：线圈与磁场的相对运动速度θ:线圈运动方向与磁场方向的夹角,取θ=90°，则由上式可知，它可以用来测速度：E=-NBlVNBl皆为定值，E与V成正比。2.3参数计算已知参数测速范围：v＝100m/s精度：±3％3、工作温度：±40°C传感器原理与设计课程设计说明书92.3.1传感单元参数计算由相关资料可知，永久磁铁的磁感应强度一般为0.1T左右，则选取相关参数B=0.1T，由于考虑实际装置的尺寸限制确定L=0.1m，N=10，则：vNBlu代入相关数据可得：∆u=0.1∆v2.3.2调理电路参数计算获得敏感元件的输出电压Tr后，采用桥式整流滤波电路，使输出电压非负且近似线性如图2-3-2-2所示。图2-3-2-1桥式整流滤波电路工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压