磁电式振动传感器

1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2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%FS3.分辨率：1700xSmVcm4.测量范围：可测得频率范围为0~500Hz时，最大加速度为103目录设计理论基础…………………………………………………………………………………………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………………………………………………………………………….154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Φ，则线圈内感应电动势与磁通的变化率成正比e=-k𝑑∅𝑑𝑡式中，k为比例常数，当e的单位为V，Φ的单位为Wb，t的单位为s，则k=1.这时e=-𝑑∅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，弹簧刚度为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的运动设：x0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-X0为质量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，在它上面受到了3个里的作用1.弹簧的弹性力：F1=KXt52.阻尼器的阻尼力：P=CXt3.质量快的惯性力：F=ma=m𝑑2𝑋𝑚𝑑𝑡2当受力平衡时，有∑𝐹𝑖=0𝑛𝑖=1，则有m𝑑2𝑋𝑚𝑑𝑡2+c𝑑𝑥𝑡𝑑𝑡+K𝑋𝑡=0由假设条件有𝑥𝑚=𝑋𝑡+𝑋0代入上式得m𝑑2(𝑥𝑡+𝑥0)𝑑𝑡2+c𝑑𝑥𝑡𝑑𝑡+K𝑋𝑡=0在初始条件为0的情况下对上式进行拉普拉斯变换，即令S=𝑑𝑑𝑡那么，上式变为(m𝑆2+cS+K)𝑥𝑡=-m𝑆2𝑥0得到的传感器传递函数为𝑥𝑡𝑥0(S)=-𝑚𝑆2𝑛𝑆2+𝑐𝑆+𝐾令𝑤0=√𝐾𝑚为传感器固有频率；ξ=-𝑐2√𝑚𝐾相对阻尼力代入上式得𝑥𝑡𝑥0(S)=-𝑚𝑆2𝑛𝑆2+2ξ𝑤0𝑆+𝑤02令被测体作简谐运动6有𝑥0=𝑥0𝑚sin𝑤𝑡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𝑥𝑡𝑥0(jw)=(𝑤/𝑤0)21+(𝑤𝑤0)2+2ξ(𝑤𝑤0)j相频特性：φ=-tanh−12ξ(𝑤𝑤0)1−(𝑤𝑤0)2由上式可知名单W/W01时，则𝑥𝑡/𝑥0=1那么就可以近似认为Xt=X0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X0，此时可将质量块思维一个静止不懂的，这样就可以用测量线圈对质量块的相对运动Xt来代替被测体的绝对运动传感器结构确定依据e=𝑑∅𝑑𝑡，只要能够产生𝑑∅𝑑𝑡不为0便能够产生感应电势，形成这种原理的基本元件应有两个，一个是磁路系统，由他来产生恒定的永久磁场，为了减少传感器体积，故采用永久磁铁，另一个是线圈，只要两者之间有相对运动发生切割磁力线作用，就会产生感应电势，其大小与相对运动有关，因此，这种惯性式的测量方法可直接将传感器安装在被测体上，不需要静态参考坐标7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.弹簧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pG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123GGG、、。两边磁路对称，总磁8导G及工作点M求法如下。（1）求总磁导G。12312GGGG①磁导1G。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R=342=1.7𝑐𝑚r=272=1.35𝑐𝑚δ=R-r=0.35cm查《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12-2得②磁导2G。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20220.26GGl这里l取平均周长，即2/2lRr=8.478cm8212.2510GH9③磁导3G。它是一个截面为半空心圆的旋转体，如图上所示。查《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12-2得032221lGGm这里l取平均周长，取1.6m，则832.410GH④扩散磁导pG为83213.45102pGGGH⑤总磁导G为827.1510pGGGH（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12300,500,rcBGsHT它的去磁曲线和能量曲线如图7所示。431(110;110(4)/)GsTOeAmtanmHBmlmGmA其中822226327.15100.4(0.0220.006)0.00141010104mmHBGGHlmAmmOemGs10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12000,200MgBGsHOe。电路设计方案（1）积分电路设计图3具有温度补偿的对数放大电路如上图所示其中V1的发射结电压为𝑢𝐵𝐸1=𝑈𝑇𝑙𝑛𝑢i𝑅1𝐼𝑠1V2用作温度补偿11𝑖C2≈𝑖2≈𝑈𝑟𝑅2iC2是一个常量，V2的发射结电压为𝑢𝐵𝐸2=𝑈𝑇𝑙𝑛𝑢R𝑅2𝐼𝑠2U0通过R4，R5和热敏电阻Rt分压后加在V1和V2两发射结上𝑈0𝑅5+𝑅𝑡𝑅4+𝑅5+𝑅𝑡=𝑈BE2+𝑈BE1=−𝑈𝑇ln𝑈𝑖𝑅2𝐼𝑠2𝑈𝑅𝑅1𝐼𝑠1若V1，V2为制作在同一芯片上的对称管，Is1=Is2，上式变成𝑈0=−𝑈𝑇𝑅4+𝑅5+𝑅𝑡𝑅5+𝑅𝑡ln𝑢𝑖𝑅2𝑢𝑖𝑅𝑅1选用具有正温度系数的热敏点数Rt，使得𝑅4+𝑅5+𝑅𝑡𝑅5+𝑅𝑡与温度T成反比。即可对Ut进行温度补偿使用中，常通过选用适当的参数，使得𝑅4+𝑅5+𝑅𝑡𝑅5+𝑅𝑡=16.7，可实现以10为底的对数运算𝑈0=−lg⁡(𝑅2𝑈𝑟𝑅1𝑢𝑖)以下为积分放大电路电路图12积分电路的传递函数为图14相频特性为11arctanRC理想积分环节的传递函数为111()HjjRC对数幅频特性为11()20lgLRC相频特性为2对于实际电路应该有ie1Roe1C对数幅频特性为13111cRC若取积分误差1%，则有11111111111111()()111%1()1HjHjRCRCRCHjRCRC即1199RC。若电路为通频带，取10~1000fHzHz，为了满足低频的要求，应取10fHz，计算得11992ccfRC，取611M=10R，则11.57CF为了使信号不致衰减太严重，取12MR，12CF。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20~600HzHz的范围内幅值误差为5%，而，计算所得'1.5%，因'[]，故满足要求。2、相位误差由想频特性可知：在50Hz时，''16320，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。14悬臂梁的刚度33/KEIl，惯性矩为312bhI所以得333312EbhKAEbhl所以33KEbhlKEbhl当有t温度变化时，则有133EbnKttttK式中E为弹性模量的温度系数，4410/EC1,,bn为材料的膨胀系数，其值为40.17610/C。设020tC为标准温度。当工作温度为10tC时，102030tCCC，/1.2%KK；当工作温度为80tC时，/2.4%KK。（2）温度对0的影响。根据0/Km，得001122KmKm由于温度的变化不影响质量m的变化，故0m，则0012KK当10tC时，001(1.2%)0.6%2；当80tC时，001(2.4%)1.2%2。15参考文献[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2006.9