传感器课程设计(磁电式传感器测振动位移)

.....word格式.整理版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.....word格式.整理版传感器、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1700xSmVcm（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5~1mmm时，幅值误差为5%；相位误差在50Hz时为10。（4）工作温度为10~80CC.....word格式.整理版目录一、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.....word格式.整理版正文一、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1700xSmVcm（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5~1mmm时，幅值误差为5%；相位误差在50Hz时为10。（4）工作温度为10~80CC.....word格式.整理版三、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，总磁图2、3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331.652271.3520.3RmmcmrmmcmRrcm查《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12-2得.....word格式.整理版880181223.140.71.251027.4101.65lnln1.35113.7102lGHRrGGH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=18.85cm8212.2510GH图4图5③磁导3G。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032221lGGm这里l取平均周长，取1.6m，则832.410GH.....word格式.整理版图6图7④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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。.....word格式.整理版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0.05dmm，绝缘导线直径10.65dmm，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24gANkd式中20.0151.47(1.45)15,0.35kkkkkgAhlhhmmhmmlk取则241.45150.3538500.05N工作匝②补偿线圈最大匝数241.45150.3533200.05N补匝③实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为8~1110eBlN工作补偿线圈的感应电动势为8~2210eBlN补为达到完全补偿，使ee工作补，则210.792NN,设计时取13000N匝，22380N匝。（2）灵敏度的估算。线圈的感应电势为11eBlN，则其有效值为112BlNEe有效总电动势.....word格式.整理版pEEE即1pNNN图8由图8得730001400,30001400160015pNN每匝线圈的平均长度为130.599.6lcm则12pppBNBNlEEE所以，传感器的灵敏度为818110232001400100016009.6104142ppBNBNlESxmVcm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.....word格式.整理版2022200012txAx本设计技术指标要求：待测频率为20~600HzHz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0/5%txx，因此初步选定02,0.6由022062.8(20)22ffHz下下下，于是得010fHz。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00/3(/2)ffff下下本例为的要求，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22000.113/WKNmmmg静绕度为0.282.50.113WfmmK对于各种板簧，常常允许绕度限于1~25mmmm，本设计测量振幅范围为5~1mmm，故弹簧片得最大绕度为max12.513.5ffmm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2fmm，则刚度为0.280.14/2WKNmmf.....word格式.整理版由100.149800700.28KgsW故007011.222fHz（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0.17cm。阻尼筒中感应电动势为810()cpeBlV阻其中43200100021001022pcpBBBT式中l为阻尼筒平均长度，且有28.331.79.422cpldcm为阻尼筒运动速度（cm/s）；R为阻尼筒电阻，且有.....word格式.整理版66419.425105101.7101.720.17cpdlRAlt由该电动势产生的电流为/IeR阻由电动势e阻产生的电流受磁场作用的洛伦兹力Pd为102.4110dPN从而得到相对阻尼度为302.41100.64227028cm6、频率特性的计算（1）幅频特性为20222000()12txAx（2）相频特性0202()arctan1曲线分别如图11,12.....word格式.整理版四、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。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。.....word格式.整理版设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。.....word格式.整理版五、测量电路的设计测量电路方框图如图13所示。（1）积分电路设计测振计测量电路放大器指示并记录电源xexexexex图13如图14，积分电路的传递函数为ie1Roe1C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111cRC若取积分误差1%，则有111()1HjjRC对数幅频特性为211()20lg1()LRC.....word格式.整理版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。.....word格式.整理版六、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.....word格式.整理版七、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.2011.1[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工作中是付出了很多，但我也清醒地认识到