1、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)，其設計的目標，是用戶選擇的依據(jù)。根據(jù)被測量是否隨時間變化，傳感器的性能指標分為靜態(tài)和動態(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態(tài)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(tǒng)就無法正常工作。傳感器的動態(tài)品質(zhì)將更引起人們的重視，提高傳感器動態(tài)響應的快速性，可從兩方面入手。一是改變其結構、參數(shù)和設計；二是進行動態(tài)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(tài)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(shù)的磁電式傳感器是利用電磁感應定律（e＝[img=18,28]http://www.e-works.net.cn/images/128271454158437500.gif[/img]－k將輸入量轉(zhuǎn)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(tǒng)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。 2、磁電式傳感器的主要元件的設計計算 磁電式傳感器的硬件材料的設計包括磁路元件的設計、線圈的設計及工作點的確定。下面就磁路設計講述硬件材料設計的方法。 磁路設計中包括復雜的計算：工作氣隙磁導 [img=497,128]http://www.e-works.net.cn/images/128271458117343750.gif[/img] 總磁導及漏磁系數(shù)的計算（A=A1+A2+A3+A4+A5+A6）。設計時一般根據(jù)結構的大小初步確定磁路系統(tǒng)，根據(jù)磁路就可以計算磁感應強度，這樣由技術指標給定的靈敏度值和已定磁感應強度值就可求得線圈導線總長度。如果氣隙尺寸已定，線圈平均周長也就確定了，因此匝數(shù)可定。而如此復雜的計算，用人工去完成既費時又不準確，甚至會影響實際生產(chǎn)和科學實驗，為此，本文設計了對磁電式傳感器所有元件材料進行計算的軟件包程序，并且各參數(shù)之間可以相互傳遞。例如漏磁導A6的計算軟件界面如圖1所示。 [align=center][img=253,146]http://www.e-works.net.cn/images/128271454455937500.GIF[/img] 圖1 漏磁導A6的計算[/align][align=left] 3、磁電式傳感器動態(tài)特性的研究 磁電式傳感器動態(tài)特性的研究包括相對測量的數(shù)學模型的推導、動態(tài)參數(shù)的計算及動態(tài)特性的輸出。 3.1 相對測量的數(shù)學模型 設永久磁鐵的質(zhì)量（也稱質(zhì)量塊）為m，彈簧剛度為K，阻尼器的阻尼系數(shù)為c，傳感器的殼體與被測體剛性固定，線圈又與殼體剛性固定，所以當被測體運動時，傳感器的殼體和線圈產(chǎn)生相同運動。 設x0為被測體（振動體）的絕對運動位移，xm為質(zhì)量塊（磁鋼）的絕對運動位移，xt＝xm－x0為質(zhì)量塊與殼體（被測體）之間的相對運動位移。[/align] 取永磁體為隔離體，當被測體產(chǎn)生位移x0時，在它上面受到三個力的作用，當受力平衡時，有[img=28,29]http://www.e-works.net.cn/images/128271457198437500.gif[/img]=0，則有： [img=287,149]http://www.e-works.net.cn/images/128271458380468750.gif[/img] 由式（1～2）可知：當ωω01時，xt＝x0。 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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(tài)參數(shù)的設計計算 動態(tài)參數(shù)的設計計算包括可動部分質(zhì)量、彈簧剛度、阻尼系數(shù)等參數(shù)的設計計算。下面以可動部分質(zhì)量的設計計算為例講述其設計過程。 （1） 可動部分質(zhì)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(zhì)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(zhì)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。 [align=center][img=254,154]http://www.e-works.net.cn/images/128271458851875000.GIF[/img] 圖2 可動部分質(zhì)量的計算[/align] 由磁電式傳感器的物理模型及其二端口網(wǎng)絡理論可得，傳感器的實際傳遞矩陣為： [img=219,48]http://www.e-works.net.cn/images/128271460774375000.gif[/img] 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(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理。根據(jù)（2）、（3）式數(shù)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(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。 [align=center][img=236,235]http://www.e-works.net.cn/images/128271459234062500.GIF[/img] 圖3 機械部分和電路部分計算圖[/align][align=center][img=224,175]http://www.e-works.net.cn/images/128271459508281250.GIF[/img] 圖4 相頻特性曲線[/align][align=center][img=222,179]http://www.e-works.net.cn/images/128271459710781250.GIF[/img] 圖5 相頻特性曲線[/align][align=left] 4、磁電式傳感器的誤差分析及誤差補償 4.1 磁電式傳感器的誤差分析 磁電式傳感器的誤差主要有溫度誤差、永久磁鐵的不穩(wěn)定性誤差、磁電式傳感器的非線性誤差。下面就溫度誤差產(chǎn)生的原因及補償方法進行闡述。 溫度誤差 在磁電式傳感器中，溫度引起的誤差是一個重要問題，必須加以計算。當測量電路輸入電阻為Ri時，磁電式傳感器的輸出電流i0為：[/align][align=left] [img=319,131]http://www.e-works.net.cn/images/128271461341562500.gif[/img] 當溫度變化時，上式中右側的三項都不等于零。根據(jù)此數(shù)學模型，用VB編程對各項參數(shù)修改，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。[/align][align=left] 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(chǎn)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(shù)，實驗證明后一種方法比較可行，而且經(jīng)濟易實現(xiàn)。下面就二階傳感器的補償方法及補償效果加以闡述。 （1） 二階模型的補償環(huán)節(jié) 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(huán)節(jié)：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(huán)節(jié)為：[/align][align=left] [img=372,312]http://www.e-works.net.cn/images/128271463700156250.gif[/img] （2） 補償步驟及仿真結果 采用零極點相消方法進行動態(tài)補償?shù)牟襟E為：[/align]

[＊]系統(tǒng)辨識法建模；[＊]通過仿真，求出階躍響應，判斷動態(tài)性能是否符合要求；[＊]不符合要求則求傳感器模型的零極點；[＊]確定動態(tài)補償數(shù)字濾波器參數(shù)；[＊]與傳感器相連，得出新的等效系統(tǒng)；[＊]等效系統(tǒng)與傳感器階躍響應的比較，判斷補償效果。

若不滿足動態(tài)性能要求，重新確定補償器參數(shù)；若滿足要求，輸出參數(shù)，繪出曲線，如圖6所示。 [align=center][img=237,196]http://www.e-works.net.cn/images/128271461982968750.GIF[/img] 圖6 零級點相消法仿真圖[/align] 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(huán)節(jié)是三階非齊次模型；第二種是二階齊次模型。第二種方法較易實現(xiàn)，并更為可靠。 [b]5、結論 [/b] 磁電式傳感器的計算機輔助設計具有很強的實用性和經(jīng)濟性，在原模型的基礎上，參數(shù)稍加變動，既改善動態(tài)品質(zhì)，又保持原系統(tǒng)的特點。零極點配置法設計補償環(huán)節(jié)，仿真結果顯示補償效果非常明顯。