传感器课程设计(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：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）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 (02)

四、误差分析 (10)

五、测量电路的设计 (12)

六、绘制测振传感器的电路图 (14)

七、附录 (15)

八、参考资料 (15)

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 。

()1231

2

G 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

33

1.65227 1.352

0.3R 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

8

8 0

1

8

1

22 3.140.7 1.2510

27.410

1.65

ln ln

1.35

1

13.710

2

l

G H

R

r

G G H

δ

πμ-

-

-

⨯⨯⨯⨯

===⨯

⎛⎫

⎪

⎝⎭

==⨯

②磁导

2

G。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

20

220.26

G G lμ

==⨯

这里l取平均周长，即()

2/2

l R r

π

=+=18.85cm

8

2

12.2510

G H

-

=⨯

图4 图5

③磁导

3

G。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

3

2

22

1

l

G G

m

μ

δ

π

==

⎛⎫

+

⎪

⎝⎭

这里l取平均周长，取 1.6

mδ

=，则

8

3

2.410

G H

-

=⨯

图6 图7

④扩散磁导p G 为

83

213.45102

p 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 m

H B m

l m G m A δδα=

其中

822226

327.15100.4(0.0220.006)0.00141010104m m H B G G H l m

A 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

24g

A

N k d π=

式中

20.015 1.47( 1.45)15,0.35

k k

k k k g A h l h h mm h mm l k ==-⨯====取 则

2

4 1.4515

0.35

38500.05N π⨯⨯=≈工作匝

②补偿线圈最大匝数

2

4 1.4515

0.35

33200.05N 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

E e ==

有效 总电动势