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1、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：书仪凌启辉2017 年 6 月 12 日传感器、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S = 700mV - cm-1x(2) 可测得频率围为 0500Hz 时，最大加速度为 10g。(3) 可测得频率在0600Hz、振幅围为5卩m1mm时，幅值误差为5% ;相位误差在50Hz时为io 。(4) 工作温度为-10 C80 C一、 确定结构二、 原始给定数据三、 磁电式传感器的参数设计计算四、误差分析五、测量电路的设计六、
2、绘制测振传感器的电路七、附录八、参考资料目录0101021012141515-可修-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S = 700mV cm-1x(2) 可测得频率围为 0500Hz 时，最大加速度为 10g。(3) 可测得频率在0600Hz、振幅围为5卩m1mm时时幅值误差为5% ； 相位误差在 50Hz 时为10 。(4) 工作温度为一10 C80 C-可修-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 G 值。由
3、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 卩p场分布趋势，可将每一边的磁导近似分割成如图3所示的G、G、G。两边磁路对称，总磁12327图 2 、3导 G 及工作点 M 求法如下（1） 求总磁导 G 。G = -（G + G + G ）2 1 2 3 磁导G。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 = mm2=1.65cm= -.35cm27mm25 = R 一 r = 0.3cm查新编传感器技术手册（科杰主编）P358表12-2得G =込1 = 2 x 34 x 0.7 小25 何=27.4 何 h111.35 丿巒
4、1 Gi = 137皿8 H 磁导G。它是一个截面为半圆（直径为5 ）的旋转体，如图5所示2同理，查新编传感器技术手册（科杰主编）P358表12-2得G 二 2G 二 2 x 0.261 卩20这里l取平均周长，即1 = 2m（R + r）/2=18.85cmG = 12.25 x 10-8 H 2图 4图5 磁导G。它是一个截面为半空心圆的旋转体，如图6所示。3查新编传感器技术手册（科杰主编）P358表12-2得这里l取平均周长，取m = 1.65，则G = 2.4 x10-8 H3pGG = G + -3 = 13.45 x 10-8 Hp 2 2总磁导G为-=-8+ - = 27-15x
5、1-8 H(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B = 12300-s, H = 5t ,它的去磁曲线和能量 rc曲线如图 7 所示。(1Gs = 1 -4 T ;1Oe = 103(4 兀)-1 A / m)mltan a = hGm A S5Bm其中G =G =27.15x1-8H 55l = .4 mmA =n(0.0222 一0.0062)= .14m2mm102Oe 106H =m103 Gs4 兀B解得a = 80.79。作出a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 B = 12000Gs, H = 2
6、00OeMg2、线圈设计及灵敏度估算线圈设计的根据是：满足给定灵敏度的要求；满足线圈电阻与负载电阻的匹配； 线圈散热；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二0.05mm，绝缘导线直径d = 0.65mm，工作线圈最大1 匝数 N 估算如下。工作 工作线圈最大匝数为式中A = hlkkh = h 一 2 x 0.015 = 1.47 mm(取 h = 1.45mm) kkl =15,k =0.35kgN工作= 0.354 x1.45 x15兀 0.052沁3850匝 补偿线圈最大匝数=0.354
7、x1.45 x15n 0.052沁3320匝 实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为e = BIN ux10 - 8工作 1 1补偿线圈的感应电动势为e = BIN ux10 - 8补 2 2为达到完全补偿，使e = e ，则N = 0.792N，设计时取N = 3000匝，N = 2380匝。工作 补 2 1 1 2(2)灵敏度的估算。线圈的感应电势为e = BIN u，则其有效值为11E=e有效Bl N u总电动势E 二 E + E5 p即由图8得N = 3000 x 1400, N = 3000 -1400 = 1600515p每匝线圈的平均长度为E = E + E =5p(B N
8、 + B N )l u55 p p 1(BN + B N )l x10-855 p p 1=所以，传感器的灵敏度为E55S = = 55p =x2(3200 X1400 +1000 x1600)x 9.6 x10-8 = 414mV cm-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A (w) =本设计技术指标要求：待测频率为20 Hz 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
9、，/二1.8，即能满足x / x二5%，因此0 t 0初步选定=2, Q = 0.60由=下 =下=兀 x 20 = 62.8( f = 20Hz)，于是得 f = 10Hz。022下04、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f f /3(本例为f f /2)的要求，也要保证 0 下 0 下弹簧在垂直工作时，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 =路=巴岁沁0.113N / mmmg静绕度为=W =空2.5mmK 0.113对于各种板簧，常常允许绕度限于1mm
10、25mm，本设计测量振幅围为5卩m1mm , 故弹簧片得最大绕度为f = f +1 = 2.5 +1 = 3.5mmAAmax A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二2mm，则A刚度为K 二 W 二 028 二 0.14N / mmfKg = ;14 x 9800 = 70s 一1W0.28 =2 = -70 = 11.2 Hz o 2兀2兀2）弹簧的设计。本设计采用的弹簧片的结构如图 9 所示。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e = B lu x 10-8(V)阻 cpB =
11、宀=3200 +1。= 2100 x10-4 Tcp式中i为阻尼筒平均长度，且有=k 28.3 + 31.7 = 9.42cm2u为阻尼筒运动速度（cm/s ）；R为阻尼筒电阻，且有l兀 d9 42R 二 p 二 5 x10-6cp 二 5 x10-6二 1.7 x10-4 QAIt1.72 x 0.171由该电动势产生的电流为由电动势e产生的电流受磁场作用的洛伦兹力pd为P 二 2.41 x 10-io Nd从而得到相对阻尼度为c2.41x103Q = 0.642 m 2 x 70 x 28 06、频率特性的计算1）幅频特性为|r11221 -+2；J 0丿02）相频特性2/ 、 申（）=-
12、arctan曲线分别如图 11,12四、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 Hz 600Hz的围幅值误差为b=5%，而，计算所得 = 1.5%，因6 0 , 故满足要求。2、相位误差由想频特性可知:在 50HZ时，=-163 20，对周期振动的可视为待测波形向后移过“角, 则相位差申=-163 20，所以不满足50HZ时10的要求，需通过电路对相位进彳丁校正。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
13、似估算。悬臂梁的刚度K = 3EI /13,惯性矩为bh3I =12所以得3Ebh31213= AEbh 3所以AK AE Ab - Ah o Al=+ 3 3 K E b h 1当有At温度变化时，则有=a At+a At + 3a At 一 3a AtK Ebn1式中a为弹性模量的温度系数，a =4x 10 4 / CEEa , a , a为材料的膨胀系数，其值为0.176 x104 / Co b n 1设t0 = 20 C为标准温度。当工作温度为 t = 10 C 时，At = -10 C-20 C = 30 C , AK/K = +1.2% ;当工作温度为t = 80 C时，AK / K = -2.4%。（2）温度对0的影响。根据0=jK?m，得1 AK1 AmAw0 =w0由于温度的变化不影响质量m的变化，故Am = 0,则Aw1 AK0 = w 2 K0当 t = -10 C 时，* =丄(+1.2%) = +0.6% ；w2。 0当 t = 80 C 时，竺=丄(-2.4%) = -1.2%。 w2. 0测量电路方框图如图 13
