【机情无限 精彩毕设】机械2025届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十六期——低频磁电位移传感器优化设计与实验测试

学生姓名：冷祥超

班      级：机械2021-01班

指导教师：王熙

毕设题目：低频磁电位移传感器优化设计与实验测试

一、概况

1.选题意义

随着工业自动化、智能制造、航空航天等领域的快速发展，对位移测量的精度、稳定性和可靠性要求越来越高。例如，在精密加工机床、精密仪器设备中，需要实现微米级甚至亚纳米级的位移测量。

磁电式位移传感器因其非接触式测量、高灵敏度、高精度以及在复杂环境下的稳定表现，在机械工业、汽车工业、医疗器械、航空航天等领域具有广泛应用。然而，随着技术的不断进步和应用需求的提高，对磁电式位移传感器的性能要求也越来越高，尤其是在低频测量、测量范围、稳定性、抗干扰能力等方面。

本设计旨在提高磁电式位移传感器的低频性能，这对实际工程中低频信号的拾取有着重要的意义。

2.任务分解

（1）了解背景与可行性分析

通过查询国内外文献与资料，了解国内外研究现状。了解磁电式动圈传感器的结构与原理，并且对该类传感器进行数学建模，推导模型传递函数，明确传递函数与哪些参数有关。

（2）研究低频磁电位移传感器的整体方案

在对该传感器的研究成果有充分的分析与研究的基础上，完成传感器的整体方案设计，包括传感器的结构设计，实现准零刚度结构设计和将准零刚度融入传感器的结构设计。

（3）对低频磁电位移传感器进行建模与设计

在完成上述结构设计后，对传感器进行3D建模，再进行空间磁场分析，对传感器的结构进行优化。

（4）加工样机

通过模型设计传感器的具体结构参数，加工一个样机并进行测试实验，测试在低频情况下传感器能否测得较为精准的结果。

图 1计划甘特图

二、已完成工作

1.数学模型及可行性分析

图 2传感器数学模型

则系统的开环传递函数可表示为

当系统与电路联通时考虑电磁阻力

图 3闭环传感器模型

图 4传感器闭环传递框图

反馈传递函数为

闭路传递函数为

从式（4.6）与（4.12）可以看出二者形式类似，区别只是阻尼比的不同。将闭路状态下阻尼比设为可得

通过matlab绘制该传递函数的幅频特性曲线

图 5不同固有频率下幅频特性曲线

图 6准零刚度原理图

准零刚度结构可以使刚度下降到1.38N/mm

2.电磁仿真

利用Maxwell进行建模仿真

图 7 2D电磁仿真模型

仿真结果如图：

图8 maxwell电磁仿真结果

上述结果表明在速度周期变化时，产生的感应电压也随速度周期变化。灵敏度大概为150mv/m/s.

3.准零刚度仿真

利用Maxwell进行建模仿真

图 9准零刚度模型图

弹簧使用一个力位移函数代替，并且弹簧劲度系数为700N/m，原长为10mm。

仿真结果如图：

图 10maxwell准零刚度仿真图

在0-2.5mm内弹簧劲度系数比较平缓，大概为0.1N/mm。

4.3D模型的建立

利用solidworks完成基本模型的建立

          图 11  3D框架图                                                    图12 剖视图

三、下一步工作计划

1.设计积分电路将速度信号转化为位移信号。

2.加工样机进行试验调试。

3.撰写论文并答辩。

问题一：加工样机后需要做什么？

回答：加工样机看准零刚度是否将传感器的低频性能提升，得到灵敏度的值。

问题二：实验与仿真的数据差距过大怎么办?

回答：如果仿真和实验的差距在70%以上就大概符合预期，当低于这个值的时候需要调整装置结构以提高性能。

问题三：实验和仿真的关系是什么?

回答：实验是为了验证电脑仿真的结果，以达到预期的设计目的，实验和仿真并不能独立，需要在论文中体现出来。

在准备低频磁电式位移传感器项目的中期答辩过程中，我深刻体会到了科研工作的严谨性和系统性。通过前期大量文献调研，我对磁电式传感器的原理、应用场景和技术难点有了更深入的理解。在实验设计阶段，我反复验证了传感器结构参数对低频响应特性的影响，建立了初步的理论模型。在完成低频磁电式位移传感器的中期研究及答辩后，我深刻体会到这一阶段的科研工作不仅推动了项目的进展，更让我在专业知识、实践能力、科研思维和团队协作等方面获得了显著的成长。