磁电式传感器测振动位移

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 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 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。 123

1

2GGGG

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 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=18.85cm 8212.2510GH

图4 图5 ③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 03

2221lGGm





这里l取平均周长，取1.6m，则 832.410GH

图6 图7 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





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。 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

112

BlNEe有效

总电动势 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 12ppp

BNBNlEEE



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

202220

0012txAx





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

由 100.149800700.28KgsW

故 00

7011.222fHz

（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10 5、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 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