磁电式传感器计算机辅助设计

摘　要：本文介绍了磁电式传感器计算机辅助设计方法，并用VB编制了磁电式传感器硬件材料选型及动态特性研究的软件包程序，研究动态补偿的最佳方法，用计算机模拟了补偿前后动态特性的输出。
关键词：磁电式传感器　软件包　动态特性　补偿


0　引　言
传感器是仪器仪表和测量系统的核心部件，是过程控制系统的首要环节，其设计的目标，是用户选择的依据。根据被测量是否随时间变化，传感器的性能指标分为静态和动态两大类。目前，国内外对传感器的静态特征研究较为深入和全面，而对动态特征研究较少。但随着科技的发展，人们愈来愈多地要求测量动态非电量或运动过程中测量非电量。例如航空、航天飞行器某些部件的瞬变温度、速度和压力的测量，要能迅速反映被控参量的变化，否则，整个控制系统就无法正常工作。传感器的动态品质将更引起人们的重视，提高传感器动态响应的快速性，可从两方面入手。一是改变其结构、参数和设计；二是进行动态补偿。本文正是针对磁电式传感器在相对测量方面具有广泛的运用前景，而硬件选型的计算及动态特性的研究相当复杂，设计了磁电式传感器材料选型的软件包程序，对其结构参数的磁电式传感器是利用电磁感应定律（e＝－k将输入量转换成感应电势输出的一种传感器，也是建立在双向传感器的统一理论的基础上。这种传感器不需要辅助电源，所以是一种有源传感器，也称作感应式传感器或电动式传感器。



3　磁电式传感器动态特性的研究
　　磁电式传感器动态特性的研究包括相对测量的数学模型的推导、动态参数的计算及动态特性的输出。

　这就是说，当被测体的振动频率ω比传感器的固有频率ω0大得很多时（通常ω≥3ω0）即可，质量块（磁钢）与被测体（线圈）之间的相对运动位移xt，就接近于被测体的绝对位移x0。此时可将质量块视为对一个静止坐标而言是静止不动的，这样就可以用测量线圈对质量块的相对运动来代替被测体（线圈）的绝对位移x0。这就是相对测量的基本原理。
3．2　动态参数的设计计算
　　动态参数的设计计算包括可动部分质量、弹簧刚度、阻尼系数等参数的设计计算。下面以可动部分质量的设计计算为例讲述其设计过程。
3．2．1　可动部分质量的设计计算
　　可动部分主要包括：顶杆、线圈的骨架、导线、线圈的质量。
　　导线：m1＝0．0181（克）；骨架：ρ＝2．7×103；v1＝лd（m3）；m2＝ρv1（克）；顶杆直径为D1，密度为ρ1，顶杆长为2，S＝JID21／4，m3＝ρ12S（克）；所以，总质量m＝m1＋m2＋m3（克），从而确定传感器的外壳材料。所有计算由VB编程完成，其具体分析见图2。


3．3　动态特性的描述
由磁电式传感器的物理模型及其二端口网络理论可得，传感器的实际传递矩阵为：

　　从而由传感器输出端的电压和电流求得机械部分的参变量F及v。反之，由机械部分的F和v可求得电路部分的电压e和电流i。本文用VB编程实及相频特性输出曲线如图4、5。利用3．2节中传递过来的m、k、c等参数是3.2节中传递过来的。其具体分析见图3.
描述传感器的方法除了参数模型的传递矩阵外，还可利用非参数模型的幅频特性分析。因此可利用幅频特性和相频特性来描述磁电式传感器的工作机理。根据（2）、（3）式数学模型编制了幅频特性及相频特性输出曲线如图4、5。利用3.2节中传递过来的m、k、c等参数及ξ值就可得到具体的幅频特性及相频特性输出曲线。



当温度变化时，上式中右侧的三项都不等于零。根据此数学模型，用VB编程对各项参数修改，维持传感器灵敏度为常数。
4．2　磁电式传感器的误差补偿
　　磁电式传感器在测量过程中由于受外界温度、压力、电磁场的影响及自身结构的限制，在实际操作中产生了各种误差，因此有必要设计新的传感器来代替旧的，或者就传感器本身改变其结构或参数，实验证明后一种方法比较可行，而且经济易实现。下面就二阶传感器的补偿方法及补偿效果加以阐述。
4．2．1　二阶模型的补偿环节
　　设传感器的二阶模型为：H（s）＝（b1s＋b2）／（s2＋a1s＋a2）
　　有两种方法构造补偿环节：第一种是将传感器的零极点全部消去，换上合适的极点，此时，补偿环节为：

根据需要，确定ξωn，代入上式，即可求出补偿器的模型。
第二种方法是替换传感器模型的极点，不动零点。补偿环节为：

　　当确定ξωn后，同样可得到补偿环节的模型。
4．2．2　补偿步骤及仿真结果
采用零极点相消方法进行动态补偿的步骤为：
（1）系统辨识法建模；
　　（2）通过仿真，求出阶跃响应，判断动态性能是否符合要求；
（3）不符合要求则求传感器模型的零极点；
（4）确定动态补偿数字滤波器参数；
（5）与传感器相连，得出新的等效系统；
　　（6）等效系统与传感器阶跃响应的比较，判断补偿效果；
　　（7）若不满足动态性能要求，重新确定补偿器参数；若满足要求，输出参数，绘出曲线，如图6所示。
　　仿真结果表明，这两种方法的效果相当。但是，第一种方法得出的补偿环节是三阶非齐次模型；第二种是二阶齐次模型。第二种方法较易实现，并更为可靠。
5　结　论
磁电式传感器的计算机辅助设计具有很强的实用性和经济性，在原模型的基础上，参数稍加变动，既改善动态品质，又保持原系统的特点。零极点配置法设计补偿环节，仿真结果显示补偿效果非常明显。