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1、工程测试基础设计说明书题目：动圈式磁电传感器设计姓名： 屈云开 学号： 26 班级： A 0821 专业： 测控技术与仪器 学院：机械与材料工程学院指导老师： 王元生 2011年5月目录 序言 2一、系统分析 （一）工作原理 3 （二）运动特性分析 3二、结构设计 （一）确定结构 5 （二）原始数据 5 （三）磁电式传感器的参数设计计算 1）磁路设计计算 6 2）线圈设计、灵敏度校核7 3）固有频率计算 8 4）弹簧设计8 5）阻尼系数计算 9 6）幅值误差计算 10三、设计总结11四、参考文献12序言 传感器的基本功能是获取被测量并将其转换成可用量，在传感器输出与输入的转换过程中，总是希望能
2、够按照一定的规律进行转换。因此，在设计任何一种传感器时，必须首先求出输出与输入量值之间的关系式及其特性，以便于知道设计、制造和应用。 磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为101000Hz。 磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力(矩)发生器和电磁激振器等。根据电磁感应定律，当N匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为，则线圈内的感应电势随磁通变化率的变化而变化。 根据这一原理，可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构型式，构成测量线速度或角速度的磁电式传感器。 为了保证传感器输
3、出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。 设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。 磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。一、系统分析 一）工作原理 （1）磁电式传感器的工作原理是基于电磁感应定律的基础上，将机械量转换成线圈的感应电势，而不需要外加电源，可直接将机械量转换为电信号。对动圈式磁电传感器，被测体振动时，此时线圈、阻尼器和芯杆为整体，由于惯性不和它一起运动，因此壳体（永磁铁）与线圈间就产生相对运动，线圈切割磁场线，而产生感
4、应电动势，其大小为： e=NBl0sin= NBl0 vsin (1-1)式中：N线圈匝数 B工作气隙感应强度 l0线圈导线平均长度 v线圈与磁场相对运动速度 （2）灵敏度公式： Sv= NBl0 sin (1-2) 但当=90o时有 Sv= NBl0 (1-3) 由(1-2)、(1-3)可知： 感应电势与线圈速度成正比； 但结构确定之后，速度灵敏度为常数； 二）运动特性分析 若将惯性质量块m、弹簧刚体k、阻尼器c视为集中参数，则可将振动传感器简化为一个二阶运动系统，如图1所示： 二阶运动系统的运动方程为： + (1-4) 对(1-4)式进行拉普拉斯（Laplace）变换得到表征输入与输出的传
5、递函数，即 = = = (1-5) 其中：=为系统无阻尼频率（传感器固有频率）； =为相对阻尼比； 令s=j代入（1-5）式，得频率传递函数为：图1 (1-6) 频率特性为： = (1-7) 式中：u=/0 相频特性为：（）= (1-8) 由式(1-7)、(1-8)可知： 当u=/01,即0时一般只要/0=3时,就可得到x/y=1，即 |H(j)|=1，满足输入等于输出； /0=3时，（）=180o； 理想的固有频率0=/3，即理想固有频率低于测量频率的；二、结构设计 （一）确定结构 所选的结构参见下图，它是测量振动用的一种磁电传感器： 磁电式振动传感器的结构原理图 1-弹簧片 2-阻尼器 3
6、-永磁体 4-心轴 5-外壳 6-线圈 7-引线 （二）原始给定数据 （1）要求设计传感器灵敏度： Sv=700mvs （2）频率测量范围： 20600Hz （3）允许的幅值误差： % （三）磁电式传感器的参数设计计算图2 1）磁路设计计算 测振传感器的结构和给定空间的分配时如图2所示： 采用磁场分割法，计算气隙磁导G和扩散磁导Gp值。由于铝与铜是不导磁体，相当于空气隙一样，图中没用画出。根据磁场分布趋势，可将每一边的磁导近似的分割成图3所示的G1、G2、G3、G4、G5、G6。(1) 求总磁导，由总磁导公式得到： （1）分别计算如下： 磁导G1：它是一个截面为矩形的旋转体，是属于同心的圆柱与
7、圆筒之间的磁导。 易知： ； ； ； 查手册可知：G1= 磁导 G2：它是一个截面为半圆直径为的一个旋转体，相当于半圆柱。 查手册可知：G2=0.26l0 ,其中,于是有 磁导G3:它是一个半空心圆的旋转体，相当于圆柱壳。 查手册可知：G3=,这里， 则: G3= 近似求G4、G5、G6：由于磁场上下对称近似取： G4+G5+G6 G2+ G3=8.75 10-8H 总磁导为： 漏磁系数Ka=1.39 （2）求工作点M： 磁铁材料选择国产铝镍钴24永磁合金作永磁材料，它的去磁曲线和能量曲线图参考手册即相关资料：式中： ) = 则： 即：； 作出角与去磁曲线的向交点，即为工作点M：可得 （3）求
8、工作气隙B的值，由 , 气隙主磁通路径上的截面积 则气隙磁感应强度为 2）线圈设计、灵敏度校核 取线圈直接绕在骨架上，绕完之后包二层0.015mm厚的电容纸，采用47漆包线，其裸导线直径d=0.05mm。 （1）线圈的长度的确定：L=1.3(lg+lp)=1.3（12+1.5）=19.5mm， 这里L取20mm，即L=20mm； （2）匝数的确定：设 d-导线的直径； f1-利用系数，f1=0.95； N0-每层匝数； 则由： f1L= N0d， N0=匝。 （3） 灵敏度估算匝数：由于输出的是交流电，则： 其中： 推出： 匝 （4）估算线圈层数： 由 层 所以总匝数位： 匝 工作气隙中线圈匝
9、数： 匝 灵敏度校核： =满足条件。 3）固有频率计算 (1-7) 由（1-7）式知： 当=0.7，=2时，能满足幅值误差为：% ，初步选定，为上值； 由，。 4)弹簧设计 （1）G为传感器运动部件的总质量，活动部件包括心轴，阻尼杯，骨架，线圈等零件，假设G=0.4N， 则：弹簧刚度弹簧片的静绕度为:弹簧片的最大绕度：这值太大了，选取，则刚度为， （2）测振传感器的弹性元件一般采用平板弹簧片，并在簧片上按需要开成个种形式的槽，其目的就是提高柔性以提高工作的平稳性。本设计采用的簧片的结构如图4；这种簧片没有现成的计算公式，只有采用实验的方法进行估算。 图5 阻尼杯 5）阻尼系数计算： 阻尼杯采用铝材料，壁厚为t=1.5mm。阻尼器的结构如图5所示；下面计算阻尼系数 阻尼杯感应电势为： 其中：Bcp取：=；f为系数这里取f=1.8； l：为阻尼杯平均长度有； v： 为阻尼杯的平均速度； ：为阻尼杯的宽度； R： 为阻尼杯的电阻 ； 该电势产生的电流：， 由感应电势产生的电流受到磁场的作用，产生洛伦兹力F为： 由F=Cv,得到： 则相对阻尼度为： 由上可知：相对阻尼比=0.669，在0.60.7之间符合要求。 6）幅值误差计
