磁電式傳感器計算機輔助設計

摘　要：本文介紹了磁電式傳感器計算機輔助設計方法，并用VB編制了磁電式傳感器硬件材料選型及動態特性研究的軟件包程序，研究動態補償的最佳方法，用計算機模擬了補償前后動態特性的輸出。
關鍵詞：磁電式傳感器　軟件包　動態特性　補償


0　引　言
傳感器是儀器儀表和測量系統的核心部件，是過程控制系統的首要環節，其設計的目標，是用戶選擇的依據。根據被測量是否隨時間變化，傳感器的性能指標分為靜態和動態兩大類。目前，國內外對傳感器的靜態特征研究較為深入和全面，而對動態特征研究較少。但隨著科技的發展，人們愈來愈多地要求測量動態非電量或運動過程中測量非電量。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，整個控制系統就無法正常工作。傳感器的動態品質將更引起人們的重視，提高傳感器動態響應的快速性，可從兩方面入手。一是改變其結構、參數和設計；二是進行動態補償。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用前景，而硬件選型的計算及動態特性的研究相當復雜，設計了磁電式傳感器材料選型的軟件包程序，對其結構參數的磁電式傳感器是利用電磁感應定律（e＝－k將輸入量轉換成感應電勢輸出的一種傳感器，也是建立在雙向傳感器的統一理論的基礎上。這種傳感器不需要輔助電源，所以是一種有源傳感器，也稱作感應式傳感器或電動式傳感器。



3　磁電式傳感器動態特性的研究
　　磁電式傳感器動態特性的研究包括相對測量的數學模型的推導、動態參數的計算及動態特性的輸出。

　這就是說，當被測體的振動頻率ω比傳感器的固有頻率ω0大得很多時（通常ω≥3ω0）即可，質量塊（磁鋼）與被測體（線圈）之間的相對運動位移xt，就接近于被測體的絕對位移x0。此時可將質量塊視為對一個靜止坐標而言是靜止不動的，這樣就可以用測量線圈對質量塊的相對運動來代替被測體（線圈）的絕對位移x0。這就是相對測量的基本原理。
3．2　動態參數的設計計算
　　動態參數的設計計算包括可動部分質量、彈簧剛度、阻尼系數等參數的設計計算。下面以可動部分質量的設計計算為例講述其設計過程。
3．2．1　可動部分質量的設計計算
　　可動部分主要包括：頂桿、線圈的骨架、導線、線圈的質量。
　　導線：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，總質量m＝m1＋m2＋m3（克），從而確定傳感器的外殼材料。所有計算由VB編程完成，其具體分析見圖2。


3．3　動態特性的描述
由磁電式傳感器的物理模型及其二端口網絡理論可得，傳感器的實際傳遞矩陣為：

　　從而由傳感器輸出端的電壓和電流求得機械部分的參變量F及v。反之，由機械部分的F和v可求得電路部分的電壓e和電流i。本文用VB編程實及相頻特性輸出曲線如圖4、5。利用3．2節中傳遞過來的m、k、c等參數是3.2節中傳遞過來的。其具體分析見圖3.
描述傳感器的方法除了參數模型的傳遞矩陣外，還可利用非參數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理。根據（2）、（3）式數學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節中傳遞過來的m、k、c等參數及ξ值就可得到具體的幅頻特性及相頻特性輸出曲線。



當溫度變化時，上式中右側的三項都不等于零。根據此數學模型，用VB編程對各項參數修改，維持傳感器靈敏度為常數。
4．2　磁電式傳感器的誤差補償
　　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構的限制，在實際操作中產生了各種誤差，因此有必要設計新的傳感器來代替舊的，或者就傳感器本身改變其結構或參數，實驗證明后一種方法比較可行，而且經濟易實現。下面就二階傳感器的補償方法及補償效果加以闡述。
4．2．1　二階模型的補償環節
　　設傳感器的二階模型為：H（s）＝（b1s＋b2）／（s2＋a1s＋a2）
　　有兩種方法構造補償環節：第一種是將傳感器的零極點全部消去，換上合適的極點，此時，補償環節為：

根據需要，確定ξωn，代入上式，即可求出補償器的模型。
第二種方法是替換傳感器模型的極點，不動零點。補償環節為：

　　當確定ξωn后，同樣可得到補償環節的模型。
4．2．2　補償步驟及仿真結果
采用零極點相消方法進行動態補償的步驟為：
（1）系統辨識法建模；
　　（2）通過仿真，求出階躍響應，判斷動態性能是否符合要求；
（3）不符合要求則求傳感器模型的零極點；
（4）確定動態補償數字濾波器參數；
（5）與傳感器相連，得出新的等效系統；
　　（6）等效系統與傳感器階躍響應的比較，判斷補償效果；
　　（7）若不滿足動態性能要求，重新確定補償器參數；若滿足要求，輸出參數，繪出曲線，如圖6所示。
　　仿真結果表明，這兩種方法的效果相當。但是，第一種方法得出的補償環節是三階非齊次模型；第二種是二階齊次模型。第二種方法較易實現，并更為可靠。
5　結　論
磁電式傳感器的計算機輔助設計具有很強的實用性和經濟性，在原模型的基礎上，參數稍加變動，既改善動態品質，又保持原系統的特點。零極點配置法設計補償環節，仿真結果顯示補償效果非常明顯。