磁电式传感器测振动位移汇总Word格式文档下载.docx
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磁电式测振传感器的设计
2、设计要求
(1)测得位移灵敏度为
(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、振幅范围为时,幅值误差为;
相位误差在50Hz时为。
(4)工作温度为
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
4、误差分析…………………………………………………………………08
5、测量电路的设计…………………………………………………………11
6、绘制测振传感器的电路图………………………………………………12
7、附录………………………………………………………………………12
8、参考资料…………………………………………………………………13
正文
1、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
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,计算气隙磁导和扩散磁导值。
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。
两边磁路对称,总磁
图2、3
导及工作点求法如下。
(1)求总磁导。
①磁导。
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
查《新编传感器技术手册》(李科杰主编)P358表12-2得
②磁导。
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
这里取平均周长,即=18.85cm
图4图5
③磁导。
它是一个截面为半空心圆的旋转体,如图6所示。
这里取平均周长,取,则
图6图7
④扩散磁导为
⑤总磁导为
(2)求工作点。
利用总磁导和去磁曲线,用作图法找到工作点。
选用国产铝镍钴永磁合金作永磁材料,其它的去磁曲线和能量曲线如图7所示。
其中
解得。
作出角与去磁曲线的相交点即为工作点。
由图8可知,在点处的。
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,绕完后再包两层厚的电容纸,两种线圈均用漆包线,其裸导线直径,绝缘导线直径,工作线圈最大匝数估算如下。
①工作线圈最大匝数为
式中
则
②补偿线圈最大匝数
③实际线圈的匝数。
因为工作线圈产生的感应电势为
补偿线圈的感应电动势为
为达到完全补偿,使,则,设计时取匝,匝。
(2)灵敏度的估算。
线圈的感应电势为,则其有效值为
总电动势
即
图8
由图8得
每匝线圈的平均长度为
所以,传感器的灵敏度为
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
本设计技术指标要求:
待测频率为时,允许幅值误差为;
由幅频特性可知:
当取时,,即能满足,因此初步选定
由,于是得。
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=0.28N,则的值为
静绕度为
对于各种板簧,常常允许绕度限于,本设计测量振幅范围为,故弹簧片得最大绕度为
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,则刚度为
由
故
(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。
阻尼筒中感应电动势为
式中为阻尼筒平均长度,且有
为阻尼筒运动速度(cm/s);
为阻尼筒电阻,且有
由该电动势产生的电流为
由电动势产生的电流受磁场作用的洛伦兹力为
从而得到相对阻尼度为
6、频率特性的计算
(1)幅频特性为
(2)相频特性
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
在频率为的范围内幅值误差为,而,计算所得,因,故满足要求。
2、相位误差
由想频特性可知:
在50Hz时,,对周期振动的可视为待测波形向后移过角,则相位差,所以不满足50Hz时的要求,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,惯性矩为
所以得
所以
当有温度变化时,则有
式中为弹性模量的温度系数,
为材料的膨胀系数,其值为。
设为标准温度。
当工作温度为时,,;
当工作温度为时,。
(2)温度对的影响。
根据,得
由于温度的变化不影响质量的变化,故,则
当时,;
当时,。
5、测量电路的设计
测量电路方框图如图13所示。
(1)积分电路设计
图13
对数幅频特性为
如图14,积分电路的传递函数为
图14
相频特性为
理想积分环节的传递函数为
对于实际电路应该有
若取积分误差,则有
即。
若电路为通频带,取,为了满足低频的要求,应取Hz,计算得,取,则
为了使信号不致衰减太严重,取,。
6、绘制测振传感器的电路图
电路框图如下
图15
7、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.2011.1
[2]MATLAB语言程序设计教程.中国铁道出版社,2006.6
[3]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,2007.9
[4]新编传感器技术手册.国防工业出版社,2002.1
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