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磁电式速度传感器振动测量实验一. 实验目的1. 通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。
二. 实验原理1. 振动测量原理机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。
机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。
机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。
另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。
这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。
在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。
为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。
这些都离不开振动测试。
振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。
二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。
幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。
频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。
通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。
相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。
对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。
在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。
一、实验目的1. 了解磁电式传感器的工作原理和结构特点；2. 掌握磁电式传感器的安装、调试和应用方法；3. 学会使用磁电式传感器进行测量和信号处理；4. 提高实际操作能力和工程应用能力。
二、实验原理磁电式传感器是一种能将非电量的变化转换为感应电动势的传感器，它利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号。
磁电式传感器主要由永久磁钢、感应线圈、电路等部分组成。
当被测物体运动时，磁钢与线圈产生相对运动，线圈中的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。
三、实验器材1. 磁电式传感器：型号为LM393；2. Arduino Uno控制板；3. USB数据线；4. 振动平台；5. 示波器；6. 直流稳压电源；7. 电桥；8. 霍尔传感器；9. 差动放大器；10. 电压表；11. 测微头。
四、实验步骤1. 磁电式传感器安装：将磁电式传感器安装在振动平台上，确保传感器与振动平台固定牢固。
2. 传感器调试：调整传感器与振动平台的相对位置，使传感器能够正常工作。
3. 磁电式传感器信号采集：使用Arduino Uno控制板采集磁电式传感器的信号。
4. 信号处理：将采集到的信号通过示波器进行观察和分析，分析信号的波形和频率。
5. 霍尔传感器安装：将霍尔传感器安装在振动平台旁的支架上，确保传感器与振动平台固定牢固。
6. 霍尔传感器信号采集：使用Arduino Uno控制板采集霍尔传感器的信号。
7. 信号处理：将采集到的信号通过示波器进行观察和分析，分析信号的波形和频率。
8. 比较两种传感器特性：比较磁电式传感器和霍尔传感器的信号波形和频率，分析两种传感器的优缺点。
9. 实验结果分析：根据实验结果，分析磁电式传感器的测量精度、响应速度和抗干扰能力。
五、实验结果与分析1. 磁电式传感器信号波形和频率：通过示波器观察，磁电式传感器信号波形稳定，频率与振动频率一致。
2. 霍尔传感器信号波形和频率：通过示波器观察，霍尔传感器信号波形稳定，频率与振动频率一致。
振动位移转速在旋转机械中的测量一、 振动位移的测量原理1、传感器原理机器的振动、位移总是伴随着机器的运转，即使是机器在最佳的运动状态，由于很微小的缺陷，也将产生某些振动。
在工作中我们常用的振动位移监测仪是由电涡流传感器、前置器、延伸电缆、监测仪转换器组成，其构成原理如图所示。
探头线圈接受前置器振荡电路来的高频电流，在其周围产生高频磁场，该磁场穿过靠近它的转轴金属表面，在其中产生一个电涡流，该电涡流产生的磁场方向和线圈磁场方向相反，改变了原线圈的感抗，该感抗的变化随探头顶部金属表面的间隙变化而变化。
前置器检测电路检测探头线圈的感抗变化。
再经放大电路将感抗变化量变换放大成相应电压变化信号输出。
经监测仪进行信号转换并显示,转换成4~20mA,1~5V 的标准信号送入DCS 或PLC 中，在测量中，前置器放大输出的直流电压信号用做机械位移的测量，交流电压信号用做振动的测量。
2、机械量测量原理由于机械物体振动量的大小可以用振动的基本参量——位移、速度、加速度来表述。
对于简谐振动来说，用如下数学表达式来确定各参量之间的关系：X=XmSin(ωt+φ)式中 X ——位移，即物体振动时相对于基准位置的位置变化（其最大的位置变化称为振幅，即式中的Xm ，单位为μm ）；t——时间；ω——圆频率；φ——初始相角，根据上图的机械实际变化量，电涡流传感器能够真实地把它反映到输出电压变化上，并根据量值对振动进行指示。
如传感器特性为7.87V/mm, V峰-峰=78.7mv则此时振动值应为10μm，但在实际工作时我们用万用表测量的交流电压是有效值，必须进行换算，就有如下公式：振动值=交流毫伏值*2.828/7.87（此式在处理故障时非常实用）对实际测量产生的振动量，转换前进行计算，确定量值，比对转换器输出。
机械位移主要是指轴的轴向移动量，根据电涡流传感器的工作原理，感抗的变化随探头与顶部金属表面的间隙变化而变化，正是利用这点，我们对轴位移量进行测量。
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：1700x S mV cm -=⋅4.测量范围：可测得频率范围为0~500Hz 时，最大加速度为10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 (15)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=-k d∅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=K X t2. 阻尼器的阻尼力：P=CX t3. 质量快的惯性力：F=ma=md 2Xm dt 2当受力平衡时，有∑Fi =0n i=1，则有m d 2Xm dt 2+c dx tdt +K X t =0由假设条件有x m =X t +X 0 代入上式得m d 2(x t +x 0)dt 2+c dx tdt+ K X t =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=dd t那么，上式变为(m S 2+cS+K)x t =-m S 2x 0得到的传感器传递函数为 x t x 0(S)= -mS 2nS 2+cS+K令w 0=√Km 为传感器固有频率； ξ=-2√mK 相对阻尼力代入上式得x t x 0(S)= -mS 2nS 2+2ξw 0S+w 02令被测体作简谐运动有x 0=x 0m sin wt 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x t x 0(jw)=(w/w 0)21+(w w 0)2+2ξ(w w 0)j相频特性：φ=-tanh −12ξ(w w 0)1−(w w 0)2由上式可知名单W/W0>>1时，则x t /x 0=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。
湖南科技大学课程设计课程设计名称：传感器课程设计学生姓名：学院：机电工程学院专业及班级：测控技术与仪器1班学号：指导教师：2016 年 6 月 6 日传感器、测控电路课程设计任务书一、设计题目磁电式测振传感器的设计二、设计要求（1）测得位移灵敏度为1700x S mV cm -=⋅（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5~1m mm μ±±时，幅值误差为5%±；相位误差在50Hz 时为10。
（4）工作温度为10~80C C -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 (01)四、误差分析 (08)五、测量电路的设计 (11)六、绘制测振传感器的电路图 (12)七、附录 (12)八、参考资料 (13)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1700x S mV cm -=（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5~1m mm μ±±时，幅值误差为5%±；相位误差在50Hz 时为10。
（4）工作温度为10~80C C - 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 μ和扩散磁导p G 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123G G G 、、。
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 。
()12312G G G G =++ 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331.65227 1.3520.3R mm cm r mm cm R r cm δ=====-=查《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12-2得88018122 3.140.7 1.251027.4101.65ln ln 1.35113.7102l G HR r G G Hδπμ---⨯⨯⨯⨯===⨯⎛⎫ ⎪⎝⎭==⨯ ②磁导2G 。
它是一个截面为半圆（直径为δ）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得这里l 取平均周长，即()2/2l R r π=+=18.85cm8212.2510G H -=⨯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32221l G G m μδπ==⎛⎫+ ⎪⎝⎭这里l 取平均周长，取 1.6m δ=，则83 2.410G H -=⨯图6 图783213.45102p G G G H -=+=⨯ ⑤总磁导G 为827.1510p G G G H δ-=+=⨯（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,r c B Gs H T ==它的去磁曲线和能量曲线如图7所示。
431(110;110(4)/)Gs T Oe A m π--==tan mH B ml m G m A δδα=其中822226327.15100.4(0.0220.006)0.00141010104m m H B G G H l mA m m Oe m Gs δδππ-==⨯==-=== 解得80.79α=。
作出α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12000,200M g B Gs H Oe ==。
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0.05d mm =，绝缘导线直径10.65d mm =，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24gAN k d π=20.015 1.47( 1.45)15,0.35k kk k k g A h l h h mm h mm l k ==-⨯====取 则24 1.45150.3538500.05N π⨯⨯=≈工作匝②补偿线圈最大匝数24 1.45150.3533200.05N π⨯⨯=≈补匝 ③实际线圈的匝数。
因为工作线圈产生的感应电势为8~1110e B l N υ-=⨯工作补偿线圈的感应电动势为8~2210e B l N υ-=⨯补为达到完全补偿，使e e =工作补，则210.792N N =,设计时取13000N =匝，22380N =匝。
（2）灵敏度的估算。
线圈的感应电势为11e Bl N υ=，则其有效值为112Bl N E e υ==有效 总电动势p E E E δ=+即1p N N N δ=+图8由图8得730001400,30001400160015p N N δ=⨯≥=-= 每匝线圈的平均长度为130.599.6l cm π=⨯=则()12p p pB N B N l E E E δδδυ+=+=所以，传感器的灵敏度为()()818110232001400100016009.6104142p p B N B N l E S x mV cm δδ---+⨯===⨯+⨯⨯⨯=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()202220012tx A x ωωωωωζωω⎛⎫ ⎪⎝⎭=⎡⎤⎛⎫⎡⎤⎢⎥-- ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦本设计技术指标要求：待测频率为20~600Hz Hz 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0.6ζ=时，0/ 1.8ωω=，即能满足0/5%t x x =±，因此初步选定2,0.6ωζω== 由022062.8(20)22f f Hz ωπωπ===⨯==下下下，于是得010f Hz =。
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)f f f f ≤≤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/WK N mm mgωω==≈静绕度为0.28 2.50.113W f mm K δ==≈ 对于各种板簧，常常允许绕度限于1~25mm mm ，本设计测量振幅范围为5~1m mm μ±±，故弹簧片得最大绕度为max 1 2.51 3.5f f mm δδ=+=+=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2f mm δ=，则刚度为0.280.14/2W K N mm f δ=== 由100.149800700.28Kg s W ω-⨯=== 故007011.222f Hz ωππ=== （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()cp e B l V υ-=⨯阻其中43200100021001022pcp B B B T δ-++===⨯ 式中 l 为阻尼筒平均长度，且有28.331.79.422cp l d cm ππ+=== υ为阻尼筒运动速度（cm/s ）； R 为阻尼筒电阻，且有66419.42510510 1.7101.720.17cp d l R A l t πρ---==⨯=⨯=⨯Ω⨯ 由该电动势产生的电流为/I e R =阻由电动势e 阻产生的电流受磁场作用的洛伦兹力P d 为102.4110d P N -=⨯从而得到相对阻尼度为30 2.41100.64227028cm ζω⨯===⨯⨯6、频率特性的计算 （1）幅频特性为20222000()12tx A x ωωωωωζωω⎛⎫⎪⎝⎭==⎡⎤⎛⎫⎡⎤⎢⎥-+ ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦ （2）相频特性202()arctan1ωζωϕωωω=-⎛⎫- ⎪⎝⎭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20~600Hz Hz 的范围内幅值误差为[]5%δ=±，而，计算所得' 1.5%δ=，因'[]δδ<，故满足要求。
2、相位误差由想频特性可知：在50Hz 时，''16320ϕ=-，对周期振动的可视为待测波形向后移过π角，则相位差'16320ϕ=-，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/K EI l =，惯性矩为312bh I =所以得333312Ebh K AEbh l== 所以33K E b h lK E b h l∆∆∆∆∆=++- 当有t ∆温度变化时，则有133E b n Kt t t t Kαααα∆=∆+∆+∆-∆ 式中 E α为弹性模量的温度系数，4410/E C α-=-⨯1,,b n ααα为材料的膨胀系数，其值为40.17610/C -⨯。
设020t C =为标准温度。
当工作温度为10t C =-时，102030t C C C ∆=--=-，/ 1.2%K K ∆=+； 当工作温度为80t C =时，/ 2.4%K K ∆=-。
（2）温度对0ω的影响。
根据0/K m ω=，得1122K mK mωω∆∆∆=+由于温度的变化不影响质量m 的变化，故0m ∆=，则12KKωω∆∆= 当10t C =-时，1( 1.2%)0.6%2ωω∆=+=+； 当80t C =时，1( 2.4%) 1.2%2ωω∆=-=-。
五、测量电路的设计测量电路方框图如图13所示。
