磁电式振动传感器

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***名：***

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：***********

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%FS

3.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 t

2. 阻尼器的阻尼力：P=CX t

3. 质量快的惯性力：F=ma=m

d 2Xm dt 2

当受力平衡时，有∑Fi =0n i=1，则有

m d 2Xm dt 2+c dx t

dt +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 t

dt

+ 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=d

d 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 2

nS 2+cS+K

令

w 0=√K

m 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 2

nS 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)2

1+(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。采用磁场分割法，计算气隙磁导G 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

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 R =

342

=1.7cm

r =272

=1.35cm

δ=R -r=0.35cm

查《新编传感器技术手册》（李科杰主编）P358表12-2得

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

20220.26G G l μ==⨯

这里l 取平均周长，即()2/2l R r π=+=8.478cm

8212.2510G H -=⨯