磁電式傳感器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

摘　要：本文介紹了磁電式傳感器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，并用VB編制了磁電式傳感器硬件材料選型及動(dòng)態(tài)特性研究的軟件包程序，研究動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖罴逊椒ǎ糜?jì)算機(jī)模擬了補(bǔ)償前后動(dòng)態(tài)特性的輸出。
關(guān)鍵詞：磁電式傳感器　軟件包　動(dòng)態(tài)特性　補(bǔ)償


0　引　言
傳感器是儀器儀表和測量系統(tǒng)的核心部件，是過程控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的目標(biāo)，是用戶選擇的依據(jù)。根據(jù)被測量是否隨時(shí)間變化，傳感器的性能指標(biāo)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類。目前，國內(nèi)外對傳感器的靜態(tài)特征研究較為深入和全面，而對動(dòng)態(tài)特征研究較少。但隨著科技的發(fā)展，人們愈來愈多地要求測量動(dòng)態(tài)非電量或運(yùn)動(dòng)過程中測量非電量。例如航空、航天飛行器某些部件的瞬變溫度、速度和壓力的測量，要能迅速反映被控參量的變化，否則，整個(gè)控制系統(tǒng)就無法正常工作。傳感器的動(dòng)態(tài)品質(zhì)將更引起人們的重視，提高傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，可從兩方面入手。一是改變其結(jié)構(gòu)、參數(shù)和設(shè)計(jì)；二是進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。本文正是針對磁電式傳感器在相對測量方面具有廣泛的運(yùn)用前景，而硬件選型的計(jì)算及動(dòng)態(tài)特性的研究相當(dāng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)了磁電式傳感器材料選型的軟件包程序，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)的磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)定律（e＝－k將輸入量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢輸出的一種傳感器，也是建立在雙向傳感器的統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上。這種傳感器不需要輔助電源，所以是一種有源傳感器，也稱作感應(yīng)式傳感器或電動(dòng)式傳感器。



3　磁電式傳感器動(dòng)態(tài)特性的研究
　　磁電式傳感器動(dòng)態(tài)特性的研究包括相對測量的數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)、動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算及動(dòng)態(tài)特性的輸出。

　這就是說，當(dāng)被測體的振動(dòng)頻率ω比傳感器的固有頻率ω0大得很多時(shí)（通常ω≥3ω0）即可，質(zhì)量塊（磁鋼）與被測體（線圈）之間的相對運(yùn)動(dòng)位移xt，就接近于被測體的絕對位移x0。此時(shí)可將質(zhì)量塊視為對一個(gè)靜止坐標(biāo)而言是靜止不動(dòng)的，這樣就可以用測量線圈對質(zhì)量塊的相對運(yùn)動(dòng)來代替被測體（線圈）的絕對位移x0。這就是相對測量的基本原理。
3．2　動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算
　　動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算包括可動(dòng)部分質(zhì)量、彈簧剛度、阻尼系數(shù)等參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。下面以可動(dòng)部分質(zhì)量的設(shè)計(jì)計(jì)算為例講述其設(shè)計(jì)過程。
3．2．1　可動(dòng)部分質(zhì)量的設(shè)計(jì)計(jì)算
　　可動(dòng)部分主要包括：頂桿、線圈的骨架、導(dǎo)線、線圈的質(zhì)量。
　　導(dǎo)線：m1＝0．0181（克）；骨架：ρ＝2．7×103；v1＝лd（m3）；m2＝ρv1（克）；頂桿直徑為D1，密度為ρ1，頂桿長為2，S＝JID21／4，m3＝ρ12S（克）；所以，總質(zhì)量m＝m1＋m2＋m3（克），從而確定傳感器的外殼材料。所有計(jì)算由VB編程完成，其具體分析見圖2。


3．3　動(dòng)態(tài)特性的描述
由磁電式傳感器的物理模型及其二端口網(wǎng)絡(luò)理論可得，傳感器的實(shí)際傳遞矩陣為：

　　從而由傳感器輸出端的電壓和電流求得機(jī)械部分的參變量F及v。反之，由機(jī)械部分的F和v可求得電路部分的電壓e和電流i。本文用VB編程實(shí)及相頻特性輸出曲線如圖4、5。利用3．2節(jié)中傳遞過來的m、k、c等參數(shù)是3.2節(jié)中傳遞過來的。其具體分析見圖3.
描述傳感器的方法除了參數(shù)模型的傳遞矩陣外，還可利用非參數(shù)模型的幅頻特性分析。因此可利用幅頻特性和相頻特性來描述磁電式傳感器的工作機(jī)理。根據(jù)（2）、（3）式數(shù)學(xué)模型編制了幅頻特性及相頻特性輸出曲線如圖4、5。利用3.2節(jié)中傳遞過來的m、k、c等參數(shù)及ξ值就可得到具體的幅頻特性及相頻特性輸出曲線。



當(dāng)溫度變化時(shí)，上式中右側(cè)的三項(xiàng)都不等于零。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型，用VB編程對各項(xiàng)參數(shù)修改，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。
4．2　磁電式傳感器的誤差補(bǔ)償
　　磁電式傳感器在測量過程中由于受外界溫度、壓力、電磁場的影響及自身結(jié)構(gòu)的限制，在實(shí)際操作中產(chǎn)生了各種誤差，因此有必要設(shè)計(jì)新的傳感器來代替舊的，或者就傳感器本身改變其結(jié)構(gòu)或參數(shù)，實(shí)驗(yàn)證明后一種方法比較可行，而且經(jīng)濟(jì)易實(shí)現(xiàn)。下面就二階傳感器的補(bǔ)償方法及補(bǔ)償效果加以闡述。
4．2．1　二階模型的補(bǔ)償環(huán)節(jié)
　　設(shè)傳感器的二階模型為：H（s）＝（b1s＋b2）／（s2＋a1s＋a2）
　　有兩種方法構(gòu)造補(bǔ)償環(huán)節(jié)：第一種是將傳感器的零極點(diǎn)全部消去，換上合適的極點(diǎn)，此時(shí)，補(bǔ)償環(huán)節(jié)為：

根據(jù)需要，確定ξωn，代入上式，即可求出補(bǔ)償器的模型。
第二種方法是替換傳感器模型的極點(diǎn)，不動(dòng)零點(diǎn)。補(bǔ)償環(huán)節(jié)為：

　　當(dāng)確定ξωn后，同樣可得到補(bǔ)償環(huán)節(jié)的模型。
4．2．2　補(bǔ)償步驟及仿真結(jié)果
采用零極點(diǎn)相消方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)牟襟E為：
（1）系統(tǒng)辨識(shí)法建模；
　　（2）通過仿真，求出階躍響應(yīng)，判斷動(dòng)態(tài)性能是否符合要求；
（3）不符合要求則求傳感器模型的零極點(diǎn)；
（4）確定動(dòng)態(tài)補(bǔ)償數(shù)字濾波器參數(shù)；
（5）與傳感器相連，得出新的等效系統(tǒng)；
　　（6）等效系統(tǒng)與傳感器階躍響應(yīng)的比較，判斷補(bǔ)償效果；
　　（7）若不滿足動(dòng)態(tài)性能要求，重新確定補(bǔ)償器參數(shù)；若滿足要求，輸出參數(shù)，繪出曲線，如圖6所示。
　　仿真結(jié)果表明，這兩種方法的效果相當(dāng)。但是，第一種方法得出的補(bǔ)償環(huán)節(jié)是三階非齊次模型；第二種是二階齊次模型。第二種方法較易實(shí)現(xiàn)，并更為可靠。
5　結(jié)　論
磁電式傳感器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在原模型的基礎(chǔ)上，參數(shù)稍加變動(dòng)，既改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)，又保持原系統(tǒng)的特點(diǎn)。零極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，仿真結(jié)果顯示補(bǔ)償效果非常明顯。