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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：杨书仪 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(1)测得位移灵敏度为Sx = 700mV cm-(2)可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10g。(3)可测得频率在0600Hz、振幅范围为5m1mm时，幅值误差 为5%;相位误差在50Hz时为10二。(4)工作温度为-10 C80 C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
2、、绘制测振传感器的电路图 14七、附录15八、参考资料 15一、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Sx= 700mV黑m(2)可测得频率范围为0500Hz时，最大加速度为10g。(3)可测得频率在0600Hz、振幅范围为士5m1mm时，幅值误差为5%;相位误差在50Hz时为10、(4)工作温度为-10：C80二C-10 -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GR和扩散磁导Gp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
3、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G、G2、G30两边磁路对称，总磁21图2、3导G及工作点M求法如下(1) 求总磁导G。磁导Gi。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-33R = 一 mm = 1.65cm227r =mm = 1.35cm 2=R-r = 0.3cm查新编传感器技术手册(李科杰主编)P358表12-2得Gi2二012 3.14 0.7 1.25 10-1nR1.65In I= 27.4 10-Hr1.351_8G =-Gi =13.7 10 H磁导G2。它是一个截面为半圆（直径为6）的旋转体，如图
4、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G2=2G=2 0.2610这里1取平均周长，即1 =2n （R + r y2=18.85cmG2 =12.25 10 上 H磁导G3。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21G3 =2G =2-二二 1m这里1取平均周长，取m=1.66,则G3 =2.4 10“H图6图7扩散磁导Gp为 pG3上Gp -G23=13.45 10 Hp 2总磁导G为G =G. Gp =27.15 10H(2)求工作点M o利用总磁导G和去磁曲线，用作图法找到工作点 M。选用国产铝锲钻
5、永磁合金作永磁材料，其Br =12300Gs,Hc =500T,它的去磁曲线和能量曲线如图 7所示。(1Gs = 10“T;1Oe = 103(4n)，A/m)tan 二mH其中G. =G =27.15 10Hlm =0.4m222Am50.0222 -0.0062) = 0.0014m2mH J02OeJ06一3 一mB103 Gs4解得a =80.79二。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 Bm =12000Gs,Hg =200Oe。2、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。d =
6、0.05mm ,d1 = 0.65mm,(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 匝数N工作估算如下。工作线圈最大匝数为4AN=/g式中A = hJkhk =h -2 M 0.015 = 1.47mm(取hk = 1.45mm)1k =15kg =0.35则4 1.45 15N工作=0.35-之3850匝-：0.05补偿线圈最大匝数4 1.45 15N补=0.35l 之 3320匝二 0.05实际线圈的匝数。因为工作线圈产生的感应电势为生作=B，N110补偿线圈的感应电动势为4卜=B2N210为达到完全补偿，使
7、牝作=e补，WJ N2 =0.792N1,设计时取N 二3000匝，N2 =2380匝(2)灵敏度的估算。线圈的感应电势为 e = Bl1N1U,则其有效值为BIiNiE -e有效一总电动势由图8得每匝线圈的平均长度为E = E、. Ep图8Ns-3000 - -1400, Np,15p= 3000 -1400=160011 = : 30.59 = 9.6cmE = E、EpB N BpNp (、2所以，传感器的灵敏度为S _ E B、NBpN11 103200 1400 1000 1600 9.610,1=414mV cm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
8、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2A-lx本设计技术指标要求：待测频率为20 Hz 600 Hz时，允许幅值误差为5%;相位误差在 50Hz时为10工由幅频特性可知：当取，=0.6时，。/0=1.8,即能满足xx0=5%,因此 初步选定0 尸 =2, =0.6 10r下 2n f下_ _ _曰/口 .由 00 = - = = 2 X20 =62.8（ f下=20Hz）,于是得 f0 =10Hz。224、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f0 f下/3（本例为f
9、0 f下/2）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0oW0.113N/mm静绕度为W _ 0.28K 0.113:2.5mm对于各种板簧，常常允许绕度限于1mm 25mm,本设计测量振幅范围为5m1mm,故弹簧片得最大绕度为f&ax =抬+1 =2.5 + 1 = 3.5mmf = 2mm,则显然，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 刚度为WK 二一f、.0.28=0.14N / mm20.14 98000.28= 70sf02 二70
10、-11.2Hz(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且=Bcj 10”(V)其中BcpB、Bp3200 10002二 2100 104T式中 l为阻尼筒平均长度，且有-二dcp28.3 31.7=JT 2=9.42cmu为阻尼筒运动速度(cm/s);R为阻尼筒电阻，且有R=:=5 10-dcp =5 10-69.42=1.7 10八A11t1.72 0.17由该电动势产生的电流为由电动势e且产生的电流受磁场作用的洛伦兹力 Pd为Pd =2.41 10,N从而得到相对阻
11、尼度为c2 0m2.41 1032 70 28= 0.646、频率特性的计算(1)幅频特性为(2)相频特性一 arctan1 -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20Hz 600Hz的范围内幅值误差为 括=5%,而，计算所得6,=1.5% ,因6 R1C1若电路为通频带，取f =10Hz1000 Hz ,为了满足低频的要求，应取f =10Hz,计算得99% = 2nfc 之，取 R1 =1MC = 106G ,则 RGG =1.57F为了使信号不致衰减太严重，取 R =2MC , C1 =2NF六、绘制测振传感器的电路图电路框图如下图15七、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.2011.12 MATLAB程序设计教程.中国铁道出版社，2006.63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，2007.94新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002.1