（控制科学与工程专业论文）中低速磁悬浮列车间隙传感器的研制.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 中低速磁悬浮列车作为一种新型城市交通工具，适合我国的国情，有着广阔的应用前 景间隙传感器在悬浮控制系统中具有重要的作用本文主要研究中低速磁悬浮列车悬浮 间隙的检测技术，耳标是研制个满足控制系统要求、结构上一体化的间隙传感器。 为提高传感器的线性度和灵敏度，分析了检测线圈与被测轨道面靠近时的电磁特性； 利用有限元分析软件a i i s y s 仿真了不同形状、面积、匝数检测线圈的等效电感量，为检测 线圈的设计提供了依据 电涡流传感器的温度稳定性是个重要的研究指标，本文分析了影响调频式电涡流传感 器的若干因素，并分别针对不同的因素采取了相应的措施；使用查表法对间隙传感器进行 了温度补偿，成功解决了悬浮间隙传感器的输出信号温度稳定性闯题。 进行了基于f p g a 的硬件电路设计，在单片f p g a 芯片上实现了流水线方式高精度频 率测量，满足了控制系统对传感器带宽的要求，并完成了输出线性化处理、查表法温度补 偿等功能由于间隙传感器的工作环境比较复杂，各种干扰通过传导或者辐射的方式影响 着传感器的性能，讨论了干扰传感器的各种因素。采取了电涌吸收器件加多级滤波的方案 消除电磁干扰。 最后，综合以上的研究成果，本文设计实现了悬浮间隙传感器。通过单点悬浮实验， 初步验证了该传感器的设计指标，并取得了满意的实验效果。 关键字：间隙传感器检测线圈温度补偿数字频率计电磁兼容 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo ft r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e ，m i d d l e - l o ws p e e dm a 舀e vt m i n ( m l s m ) i s s m t e dt ot h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r yw h i c hh a st h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t , a n ds u s p e n s i v e g a ps a f l q o ri sv e r yi m p o r t a n ti nt h es u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m t h es u s p e n s i v eg a pm e a s u r e m e n t o fm l s mi ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , a n dt h et a r g e ti sd e s i g no fg a ps e n s o rw h i c hm e tt h e d e m a n do f t h e 鲫s p 曲s i o nc o n t r o ls y s t e m , h a v i n gi n t e g r a t i v es t r u c t u r e t oi m p r o v e1 i n e a r i t ya n ds e n s i t i v i t yo f t h es e n s o r , t h ee l e c t r oa n dm a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ec o i l - t a r g e tw h e na p p a c h i n gt ot h ed e t e c t e dw a i nt r a c ei sa n a l y z e & u s i n gt h ef e ma n a l y s e s s o f h 旧r ea i i s y s 。t h e 的u i v a l e n ti n d u c t a n c eo fi n d u c t i v ec o i l sw i t hd i f f e r e n ts h a p e , a r e aa n d n u m b e ro f t t t m si ss i m u l a t e d , p r o v i d i n gb a s i sf o ro p t i m i z a t i o no f i n d u c t i v ec o i l 。 t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fe d d yc u r r e n ts e n s o ri si m p o a a n tr e s e a r c hi n d e x f a c t o r st h a t a f f e c t i n gt h et e m ps t a b t u t yo ff r e q u e n c ym o d u l a t e de d d ye u n x m ts e n s o ri sa n a i y z e di nt h e d i s s e r t a t i o n , a n dc o r r e s p o n d i n gm e a s q t 把i st a k e ns e p a r a t e l y t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni s f i n i s h e dw i t hl o o k - u p - t a b l em e t h o d , w h i c hs o l v e dt h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yp r o b l e mo fo u t p u t d i s p l a c e m e n ts i g n a l h a r d w a r ed e s i g nb a s e d0 1 1f p g ai sc o m p l e t e d , a n dp i p e l i n es t y l eh i g hr e s o l u t i o nf r e q u e n c y m e a s u r e m e n ti sf u l f i l l e do nam o n o l i t h i cf p g ac h i p , w h i c hm e tt h ed e m a n do fc o n 臼o ls y s t e m o ns e n s o r sb a n d 俪d c h o t h e rf u n c t i o ma r ca l s of i n i s h e d , i n c l u d i n gs e n s o ro u t p u tl i n e a r i z a t i o n , t e m p e r a t u r ec o m p e l l s a l i o nw i t hl o o k - u p - t a b l em e t h o da n ds oo n b e c a u s es e n s o rw o r k i n g c o n d i t i o n sa r e 础c o m p l e x , s g n s o rp e r f o r m a n c ei sa f f e c t e db yv a r i o u se l e c t r oa n dm a g n e t i c d i s t u r b r l l c ot h r o u g ht h ec o n d u c t i o no rt h er a d i a t i o nw a y e m ct e s to f s e m o ri si n t r o d u c e d w i t h s l l r g ea b s o r bc o m p o n e n ta n dm u l t i p l e - l e v e ll cf i l t e r s ，e m ii se l i m i n a t e d l a tl a s t , t h eg a ps a l s o ri sd e s i g n e da n dr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ea f o r e s a i dr e s u l t s t h r o u g h s i n g l ep o 砬s u s p e n s i o ne x p e r i m e n t , i t sp r o v e db a s i c a l l yt h a tt h eg a ps e n s o r ) $ t e c h n i c a li n d e xi s w 枷e d a n ds a t i s f i e de x p e r i m e n tr e s u l ti sa c h i e v e d k e yw o r d s ：e d d y c u r r e n ts e n s o r , d e t e c t i n gc o i l , t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , f r e q u e n c ym e t e le m c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取季譬的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文作者签 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：臣墅挈蛰垦显型主闰篮篮立墨盟础 学位论文作者签名：圭生叁日期：厶巾6 年月；。目 作者指导教师签名 峪 日期：u 一年1 1 月；l ，曰 糊 魄嚣 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 中低速磁悬浮列车的研究概况 磁悬浮列车作为一种新型交通工具，以其高速、安全、平稳、舒适等优点受到了日益 广泛的关注按照运行速度，磁悬浮列车可分为高速磁悬浮列车和中低速磁悬浮列车，高 速磁悬浮列车以德国的t r 系列为代表，中低速磁悬浮列车( 时速2 0 0 k m h 以下) 则以日本 的h s s t 为代表 日本在购买德国1 r 0 4 专利的基础上发展了h s s t 系列中低速磁悬浮列车，该型号磁 悬浮列车已于2 0 0 5 年3 月在日本爱知世博会投入商业运营美国政府为了摆脱对石油资 源的依赖，改变原先的“航空+ 高速公路”的交通模式，也积极发展磁悬浮列车技术，现已 有通用原子能公司、m a g n e t m o t i o n 公司以及a m t 公司等从事磁悬浮技术研究，代表项目 有：在老多米尼大学校园内修建1 3 公里磁悬浮示范线、m 3 磁悬浮列车等韩国机械材料 协会( k i m m ) 于1 9 9 8 起年先后推出了u t m - 0 l 、u t m - 0 2 、u t m - 0 3 ，其中u t m - 0 1 、u t m - 0 2 已经投入商业应用，但u t m - 0 3 目前仍在研发之中r ( ) m 公司也推出了自己的磁悬浮 列车，计划从2 0 0 3 年1 0 月到2 0 0 6 年9 月进行r u t m 开发，目标是建立城市运输的商业 化模型u 与日本等国相比，我国在中低速磁悬浮技术领域也具备了相当的水平国防科技大学 于2 0 0 1 年1 1 月研制出一辆全尺寸的磁悬浮列车试验样车。并建成2 0 4 米试验线，截至2 0 0 6 年7 月该车已累计运行8 0 0 0 多公里；西南交通大学1 9 9 4 年研制出可载4 吨的磁悬浮列车， 并于1 9 9 7 年开始建设4 0 0 米青城山试验线；铁道部科学研究院在“八五”科技攻关中，研制 出单转向架磁悬浮系统【1 1 1 1 2 我国发展中低速磁悬浮列车的意义 在我国，城市发展非常迅速，城市交通拥挤不堪。地铁虽然是解决城市交通的一个途 径，但造价昂贵；城市轻轨对人口密集的地区，很难满足环保要求，尤其是噪声标准中 低速磁悬浮交通系统是一种新型的有轨交通系统，它利用电磁力实现列车的无接触支承和 导向，通过直线电机实现无接触牵弓i 和制动，避免了传统铁路中车轮和轨道之间的机械接 触，克服了传统轮轨列车提高速度的主要障碍，避免了轮轨噪声；另外，磁悬浮列车转弯 半径小，选线灵活，能够有效降低土建成本因此，中低速磁悬浮列车作为现代化城市先 进的客运交通系统，具有速度快、安全、舒适、污染小等优点，对降低城市污染，提高环 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 境质量、改善交通运行状况等都将起到积极的作用，是符合我国发展现状的城市轨道交通 运输系统。 1 1 3 间隙传感器在悬浮控制系统中的作用 图i i 为中低速磁悬浮列车下部结构示意图，它主要由悬浮系统和推迸系统构成间 隙传感器位于倒u 型钢轨的下凹面，电磁铁的顶部，用来检测列车的悬浮间隙，它属于悬 浮控制系统的一部分 图i 1中低速磁悬浮列车结构图 图1 2悬浮控制框图 图1 2 为悬浮控制系统框图，系统由间隙传感器、数字控制器、斩波器和悬浮电磁铁 组成。它采用反馈控制理论对列车进行悬浮控制为了保证车体在任何条件下( 如从静止到 运行、不同的环境温度、大风、雨雪天气等) 都要能正常稳定悬浮，悬浮控制系统担负着核 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 心任务。而在悬浮控制系统之中，悬浮间隙的测量又是重中之重，间隙测量单元必须能在 任何条件下为悬浮控制系统提供可靠、实时的间隙信息。因此，间隙传感器在悬浮控制系 统中占据着重要的地位 1 , 2 i 各种位移测量技术比较 1 2 课题研究方向和现状 间隙传感器是位移传感器的一种一般情况下，位移测量传感器可以分为四类：电涡 流式传感器、电容式传感器、光学传感器和压力传感器选择合适的方式进行位移的测量 是至关重要的，因为传感器所处的环境会严重影响传感器的性能甚至可用性。表i i 为各 种位移传感器的优缺点闭。 表i 1各种位移传感器优缺点对比 传感器类型优局缺点 优点：非接触测量i 结构简单，成本低重量轻， 电涡流传感器耐用，无油污 缺点：测量结果因被测物体的材料而异 优点：结构简单，成本低 电容式传感器缺点t 不耐用，需要较高的供电电压非线性误差较大， 不适合磁悬浮车环境使用 优点：精度高，直接测量位置 光学传感器缺点：安装复杂，对光纤的强弱太敏感，适用于实验室 环境下的澍试，而不是野外环境 。 优点：直接测量因压力形变而导致的位移 压力传感器缺点：力需直接作用于压敏元件的表面，属于接触测量， 不适于悬浮间隙的非接触测量 列车运行时，车体与轨道之间没有任何机械接触，决定了间隙传感器的问隙测量方式 必须是非接触的同时由于高速磁悬浮列车是工作在野外环境当中，悬浮间隙传感器必须 能够适应多种环境在非接触测量的电容、光电、红外、电涡流等主要方式中【3 j ，电涡流 传感器是通过检铡线圈与被测导体之间的电感涡流效应来非接触测量问隙的，比较适合几 毫米到几十毫米的测量范围 因此，经过综合比较多种位移测量技术，中低速磁悬浮列车的悬浮间隙检测采用了电 涡流方式 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 0 2 电涡流传感器的基本原理 电涡流传感器是电感式传感器的一种，与磁阻式传感器不同，它没有封闭的磁路，电 磁场是面向被测导体半开放的交流信号源通过检测线圈发射到空间中，被测导体受该磁 场影响，在导体中产生涡流，涡流大小与被测导体的物理特性，几何尺寸以及检测线圈之 间的间隙有关。涡流在被测导体中存在趋肤效应，趋肤深度与激励频率有关。根据激励频 率大小，电涡流传感器又分为低频透射式和高频反射式，前者多用于厚度检测，后者的应 用更为广泛。 图1 3高频反射式电涡流传感器原理 高频反射式电涡流传感器如图1 3 所示，检测线圈高频电磁场妒l 作用在被测导体表面， 趋肤效应使得饥不能穿过导体，仅作用在导体的表层，涡流磁场优跟妒l 方向相反，导致 等效电感变小，且与间隙占为一一对应关系随着占的变化，检测线圈输出电量发生变化， 经信号处理后得到传感器的输出。 1 2 3 调频式测量方案的确定 按照输出信号的调制方式，电涡流传感器可以分为调频式、调幅式和调频调幅式三种 从电路结构看，调频式最简单，其它两种较复杂；从稳定性看，调幅式电路为最佳，主要 由于调幅式采用了石英晶体振荡器，振荡频率比其它两种测量电路采用的电容三点式振荡 器要稳定些；从灵敏度来看，调频式和调频调幅式要高些；从测量线性范围来看，调频式 和调频调幅式略强于调幅式 可见，调频式电涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量范围大等优点并且温漂 较小，省去了d 转换单元，可以直接输出数字信号，提高了信号传输过程中的抗干扰性 能通过设计高稳定的振荡电路。调频式电涡流传感器能够具有更高的稳定性中低速磁 悬浮列车中间隙传感器安装空间狭小，并且安装位置距离轨道下底面之间距离较大，要求 传感器具有较大的测量范围鉴于调频式电涡流传感器的诸多优点，中低速磁悬浮列车间 隙传感器采用调频式的结构，它属于高频反射式电涡流传感器 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 4 电涡流传感器的研究现状 电涡流传感器具有非接触测量、动态响应范围宽、适应性好等特点，广泛应用于很多 行业，如金属材料的无损检测，实时系统中的位移、振动和角速度的测量目前，关于电 涡流传感器的研究主要围绕以下几个方面展开； ( 1 ) 线性度 电涡流效应的本质就是非线性的，同时其转换电路也有一定的非线性，所以电涡流传 感器的原始输出信号为一非线性曲线，线性段比较窄，如果不加信号处理回路，将影响电 涡流传感器的使用，为了扩大传感器的测量范围，需要对输出信号作矫正，将曲线段补偿 为直线段清华大学在钢水液位测量系统的背景下对涡流传感器的线性补偿校正进行了研 究【4 】，它对信号进行了分段矫正，它是一种适用于大量程检测的涡流传感器电路，最终信 号的线性输出范围可达到探头直径的5 倍，但它是一种硬件实现的线性矫正电路，在设计 电路参数时针对性比较强，在调整的手段上比较烦琐德国t u r c k 公司生产的新一代 u p r o x + 电感式传感器，它创新性的采用多线圈系统技术，优化了线性度，并且能够提供极 大的检测距离( 1 蛐1 0 0 m m ) ”q 。 ( 2 ) 灵敏度 主要是根据检测线圈的设计开展的，文献【5 】研究了关于传感器的灵敏度与线圈参数的 关系，主要是线圈截面形状以及匝数变化对灵敏度的影响在电路的结构上，文献【9 】研究 了用于长距离测量的电涡流传感器信号调理电路，详细分析了测量电路的工作原理，重点 研究了传感器的灵敏度与抗干扰性能的提高文献 1 2 l 将单片机及微处理器应用到电涡流 传感器中，对传感器的输出信号进行分段处理，有效提高了传感器的性能 ( 3 ) 温度稳定性和重复性 由于电涡流传感器中振荡回路以及测量线圈受温度变化的影响比较大，在一定的温度 变化环境下，或是在高温的应用环境下，电涡流传感器最终输出受温度影响比较大，多数 研究针对该问题，寻找导致温漂的本质，着重研究了线圈受温度影响变化导致的电阻值变 化，最终影响品质因数，使传感器信号出现漂移的现象。文献【6 】分析了金属导线的电阻随 温度的改变而变化，当线圈中通入高频电流，电流在导线表面存在集肤效应，使导线的电 阻增加另一方面，当金属导体的电阻增加时，它的集肤效应能力减弱，导线中电流密度 的分布就比较均匀，等效的交流电阻就减小，两者的变化方向相反，所以选择合适的相关 参数可以使两者的变化相互抵消，达到温度自动补偿的目的 文献【8 】分析了电涡流传感器的温度稳定性主要取决于几个方面，测量线圈的温度漂 移、被测体的电阻、电感损耗温度特性、检测电路的温度稳定性、测量线圈与被测体之间 耦合强度的温漂等文献【1 1 】分析了影响调幅式涡流传感器精度的因素，特别在提高载波 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 信号的稳定度、相敏检波器的检波精度以及低通环节上进行了改进，提高了电路的检测精 度文献【1 3 】设计了一种复合式高稳定电涡流传感器庀由内部带温度敏感元件的探头和前 置器组成通过提高传感器系统的灵敏度，改进电路、合理选用元器件的温度特性、微机 校正偏差等方法提高传感器系统的精度和稳定性，这种思路实际上是一种补偿修正的方 法 ( 4 ) 动态特性 动态特性是指测量动态信号时传感器的输出反映被测量大小随时问变化的能力，动态 特性差的传感器在测量过程中将会产生较大的测量误差普遍认为电涡流传感器的动态响 应好，因此专门针对电涡流传感器的动态特性研究的文献相对比较少，清华大学在磁悬浮 轴承的课题中对电涡流传感器的动态特性进行了研究。认为影响恒频调幅式电涡流传感器 动态特性的主要环节在振荡回路与检波回路，为了扩展传感器的动态范围，分析建立了电 涡流传感器的模型，设计了相位校正环节提高了动态响应特性1 7 1 ( 5 ) 可靠性 在整个系统中传感器是一关键部件，它的可靠性直接关系到整个系统的可靠性，因此 在电涡流传感器的可靠性问题也被作为一个重要的内容被广泛地研究在提高电涡流传感 器的可靠性时，多数采用冗余的方式德国的一种电涡流传感器的专利就采用了此种模式 ( 6 ) 集成化、小型化 调频式电涡流传感器由于是建立了频率与间隙之间的关系，它中间不需要设计数模变 换的环节，仅仅是实现计数方式，所以相对比较容易实现数字化，而且功能模块也容易集 成到一个芯片中 图1 4 l i o np r e c i s o n 公司生产的小型电涡流传感器 图1 4 是巴西l i o np r e c i s o n 公司生产的集成化小型电涡流传感器，其电路板实际尺寸 只有3 3 m m * 3 3 m m ，提高了电涡流传感器的集成度，能够应用于需要小型仪器测量的场合 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 悬浮间隙测量必须解决的问题 在系统的实现过程中，主要解决以下几个问题： ( 1 ) 检测线圈的优化设计问题 列车要求间隙传感器的测量范围是0 2 0 m m ，正常悬浮时，电磁铁和轨道之间的间隙 为1 0 m m 左右间隙传感器安装在电磁铁和轨道下底面之问，要求传感器具有较大的测量 范围为了提高传感器的线性度和灵敏度，要对检测线圈进行分析和设计，运用有限元分 析方法，仿真不同面积、形状，匝数检测线圈的测量线性度和灵敏度，为检测线圈的优化 设计提供一条有效途径 ( 2 ) 温度稳定性问题 列车一年四季运行予野外环境，经历风霜雨雪等各种天气的考验，间隙传感器必须能 够准确的检测出列车的实际悬浮间隙因此，间隙传感器必须减少温度漂移，提高间隙输 出的稳定性。 ( 3 ) 数字系统实现的问题， 由于本设计采用调频式的结构，单片f p g a 实现频率测量、查表法线性化和温度补偿 的功能。频率测量单元必须满足两方面的要求，首先，必须满足测量精度的要求。其次， 必须满足控制器对传感器响应时间的要求在目前的三种频率测量方法中，两者是一对矛 盾的指标。因此，必须设计出一种频率测量方法，同时满足控制器对传感器测量精度和响 应时间的要求 ( 4 ) 抗电磁干扰的问题 间隙传感器的实际工作环境中存在各种电磁辐射的干扰，控制系统中的斩波器工作在 开关状态，会向外发射出丰富的谐波干扰车载电源系统的不稳定也会影响传感器间隙的 输出。另外，野外环境中恶劣天气的电磁环境，比如雷电的感应电磁场等都会影响到传感 器的稳定性。 ( 5 ) 集成化、一体化的问题 传统的电涡流传感器为了提高温度稳定性和适用于不同场合时更换探头方便，常采用 前置器加探头的形式，不同规格的探头有着不同的性能表现在中低速磁悬浮列车中，并 不需要更换检测线圈，为了安装方便，将检测线圈集成到了电路板上，形成一体化结构 1 4 论文的主要内容 本文的研究工作以北京控股磁悬浮有限公司投资的叫，低速磁悬浮列车工程化项耳”为 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 背景，主要进行了悬浮控制系统中悬浮间隙检测技术的研究研究成果成功应用于中低速 磁悬浮列车的悬浮控制试验系统，并取得了满意的效果论文就间隙传感器敏感元件的优 化设计、温度漂移的抑制、软硬件的设计、电磁干扰的抑制等方面展开了研究，各章内容 安排如下： 第一章；绪论本章介绍了中低速磁悬浮列车的发展概况、课题的研究目的与意义； 归纳了电涡流传感器的研究方向与发展现状；针对间隙传感器的工作环境，提出了必须解 决的一些问题 第二章：检测线圈的分析与设计依据检测线圈和被测导体平面之间的等效电路模型， 本章分析了检测线圈等效电感的组成，对传感器工作参数的选择具有指导意义；利用有限 元仿真工具计算了检测线圈靠近被测导体平面时的等效电感，并比较了不同面积、形状、 匝数的检测线圈对传感器灵敏度、线性度的影响，达到了优化检测线圈设计的目的 第三章；温度特性分析与补偿办法本章对电路中影响系统温度稳定性的因素进行了 分析；并针对不同的影响因素采取了不同的办法，通过实验证明了温度补偿的有效性 第四章：基于f p g a 的硬件电路设计本章进行了基于f p g a 的硬件电路设计，重点 设计了流水线方式等精度测频模块，解决了普通频率计带宽与精度不能同时满足要求的矛 盾；并设计了传感器线性化模块，温度传感器接口模块等 第五章；电磁兼容性设计本章介绍了电磁兼容的概念、以及抑制电磁干扰的一般方 法；针对中低速磁悬浮列车间隙传感器所存在的特殊形式的干扰，采取了相应的抑制措施 第六章：间隙传感器实现与实验工程上实现了传感器的硬件构架，将检测线圈与处 理电路集成在一起，形成了一体化结构通过实验分析了传感器的各项指标参数，包括线 性度，灵敏度，分辨力等：通过单点悬浮实验初步验证了传感器的性能 第七章；总结与展望本章总结了本文的主要研究工作，列出了本文的研究结论和创 新点，提出了仍需进一步解决的问题和发展思路 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章检测线圈的分析与设计 作为传感器的敏感元件，检测线圈的分析和设计至关重要，决定着传感器输出静态特 性的灵敏度和线性度分析了检测线圈的电磁特性，利用有限元分析工具仿真了检测线 圈靠近a 3 钢时等效电感的变化规律，并通过对比几种不同形状、面积、匝数的检测线圈 的计算，优化了线圈设计 2 1 检测线圈等效电感的分析 电涡流间隙传感器在检测悬浮间隙时，有两种作用影响着检测线圈的等效电感：电涡 流效应和静磁效应其中，电涡流效应起着主导作用本节通过分析与实验证明了这一点， 为振荡器工作参数的确定提供了条件 2 1 。1 检测线圈在系统中的位置 中低速磁悬浮列车的悬浮间隙传感器采用高频反射形式的电涡流传感器实现无接触 的测量如图2 1 所示，检测线圈l 工作时，与精密陶瓷电容c l 、c 2 、c 3 并联在一起，作 为振荡源的选频网络决定着回路的谐振频率当列车的悬浮间隙改变时，检测线圈等效电 感量发生变化，从而振荡电路的谐振频率也跟着变化通过测量不同间隙下电路的谐振频 率石达到测量间隙的目的 图2 1振荡电路原理图 在忽略检测线圈体电阻和分布电容的前提下，振荡电路谐振频率厂为 ，= 互蕊1 其中，l 为线圈等效电感量；c 为谐振电路电容量，是c i 、c 2 和c 3 串联后的总电容 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 量一面 2 1 2 电涡流等效电路分析 电涡流式间隙传感器检测线圈与被测导体关系的等效电路如图2 2 其中。r l 为检测 线圈电阻，三t 为检测线圈电感，飓和上2 为被测导体中涡流区的电阻和电感，盯为检测线 圈与被测导体之间的互感u 为激励电压， 为检测线圈电流，如为产生的涡流，两者电 流方向相反检测线圈发射的电磁场在被测导体中产生电涡流，被测导体的涡流回路等效 为一个短路线圈，它与检测线圈通过磁场耦合，随着间隙的变化，影响着检测线圈的等效 电感 图2 2电涡流间隙传感器的等效电路模型 以图2 2 中所示电流为正方向，根据基尔霍夫定律得到方程 i 马五+ ，鸣一_ ，鹕= ( ， - j c o b g l + 如1 2 + _ ，翻如l = 0 根据式( 2 力得到检测线圈的等效阻抗为 z 一+ 看也+ 仁一看务必 所以，检测线圈的等效电感为 工= 厶一骊6 0 2 m 2 厶 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式( 2 4 ) 中，l l 为静磁电感，主要与被测导体的静磁效应有关，当被测导体磁导率较高 时，被测导体的存在改变了检测线圈周围空间的等效磁导率，从而增大静磁电感，间隙占 越小，工l 越大；后一项为因涡流效应而产生的反射电感，问隙越小，涡流效应越大，则该 反射电感越大，反射电感会减小检测线圈电感，静磁电感和反射电感对检测线圈等效电感 的影响是相反的。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 3 检测线圈等效电感实验 在讨论静磁效应和电涡流效应对线圈等效电感的影响时，结果因激励频率、间隙和材 料电磁参数的不同而不同静磁效应主要受间隙和材料的磁导率影响，电涡流效应主要受 间隙，激励频率和材料电导率的影响 图2 3 ( a ) 是取被测导体分别为a 3 钢、铝板和硅钢平面，激励频率为1 0 k h z 时得到的 等效电感一间隙曲线；图2 3 是取被测导体为a 3 钢，测试等效电感变化和间隙、激励频 率的关系得到的等效电感一间隙曲线三种材料的电导率和相对磁导率参数见表2 1 表2 1被测导体的电磁特性参数 铝a 3 钢 硅钢 电导率( n 1 m ) 3 8 e 7 约1 e 7小于l e 7 相对磁导率 l约9 0 0约5 6 0 0 由图2 3 ( a ) 可得；激励频率厂为1 0 k h z ，被测导体为铝时，检测线圈电感随间隙增大而 增大，说明涡流效应起主导作用；随着磁导率增大，静磁效应削弱了涡流效应引起的等效 电感变化，当被测导体为硅钢时，等效电感随间隙增大而减小，静磁效应起主导作用 由图2 3 ( b ) w 得；随着激励频率的增加，涡流效应越来越强，当激励频率为1 0 k h z 时， 涡流效应已经超过了静磁效应，起主导作用 ( a ) 材料不同( 激励频率为1 0 k i 王z ) 频率不同( 被测导体为a 3 钢) 图2 3 被测导体电磁特性的影响 综上所述，被测导体为a 3 钢平面时，随着频率的升高，检测线圈等效电感变化主要 由电涡流效应引起激励频率越高，电涡流效应越明显因此，检测线圈与轨道之间主要 为电涡流作用。 2 1 4 等效电感变化规律的指导意义 第1 l 页。 国防科学技术大学研究生院学位论文 由式( 2 4 ) 以及前节讨论可知，当被测材料为a 3 钢时，激励频率存在一个临界点西， 使得电涡流效应和静磁效应对检测线圈等效电感的影响刚好可以抵消此时，检测线圈的 等效电感不会随着其与被测导体之间的间隙的改变而改变，间隙的测量变的困难 因此，在确定振荡电路的谐振频率这一参数时，必须避开i l 岛界频率 。由式( 2 1 ) 可知， 若选择谐振频率小于幅界频率，必然要求检测线圈具有较大的电感量。在p c b 上很难制作 较大电感量的平面空心线圈所以，振荡电路的谐振频率只能大于临界频率同时，谐振 频率也不能太大，振荡电路的起振条件中，要求电容的容量和检测线圈的电感量要有一个 合适的比例太大的振荡频率意味着较小的电容和电感值，电容值较小时，振荡频率易受 晶体管结电容的影响，故温度稳定性较差 综上所述，振荡电路的谐振频率要在大于幅界频率五的区间上适当选取。 2 2 有限元仿真软件的应用 解析法计算检测线圈的等效电感，其过程极其复杂且单调乏味嗍当被测导体靠近 时，检测线圈等效电感的计算更是复杂本节引入了有限元的分析方法，能够方便的仿真 计算不同间隙下线圈的各种电磁参数，有限元是解决工程电磁场问题的一个强大工具 2 2 1 有限元分析概述 工程电磁场求解方法主要有解析法和数值计算方法其中，解析法虽然能够得出待求 场量的解析解，但是分析和推导繁复数值计算方法主要有有限差分法、有限元法和边界 元法等，其中有限元法由于适应性强和通用性好，近年来得到了广泛的应用 ( 1 ) 有限元介绍 有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个小单元，并在每一个单元中设定有 限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节 点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规 律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一 个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题一经求解就可以利用解 得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数 ( 2 ) a n s y s 软件及其仿真计算步骤 a n s y s 是大型有限元计算软件，包含不同的子模块，分别用于电磁场分析、结构力学 分析、流体力学分析、热分析以及耦合场分析其工作流程大致可分为预处理器、求解器、 后处理器等，根据工程的需要选择子模块以及合适的物理参数，进行有限元分析 a n s y s e m a g 模块用于电磁场分析，其有限元公式把标量势，矢量势和边界通量导入到 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 麦克斯韦方程组中，考虑其电磁性质及关系：推导出适用于有限元分析的方程组计算出 边界条件约束的场域的场量分布后，可以分析多方面的电磁问题，如电感、电容，阻抗、 磁感应强度、磁场强度、涡流等等a 0 s y s 的电磁场分析和优化设计的一般步骤如图2 6 2 2 2 检测线圈仿真计算 预处理嚣 隶解器 后处理晷 图2 4 a l e y $ 电磁分析流程 有 限 兀 程 序 ( 1 ) 电磁学基础 麦克斯韦方程组是支配所有宏观电磁现象的一组基本方程，既可以写成微分形式，也 可以写成积分形式，其中微分方程组导出了有限元方法处理电磁问题的微分方程麦克斯 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 韦方程组的微分形式为 v x 豆+ 丝：0 a v x 詹一票：了 ( 2 5 ) 卉 7 、d = p v 雪= 0 式中，雷：电场强度( v 哪；西：电通量密度0 ) ；詹：磁场强度( m ) ；雪：磁感 应强度( w b m ) ：了：电流密度( a ，l n 2 ) ；p ：电荷密度( c ，m 3 ) 麦克斯韦方程组中只有三个方程是独立的，称为独立方程，其它两个称为辅助方程， 可以从独立方程中导出独立方程数少于未知量数，三个独立方程非定解，确定场量之间 的本构关系后麦克斯韦方程组就变成定解形式本构关系描述了被考虑介质的宏观性质 本构关系为 d = 趣，b = o i ，j = o f ,( 2 6 ) 式中，本构参数、盯分别为介电常数、磁导率、电导率 电感计算主要有两种方法：磁链法和能量法磁链法通过计算线圈内部磁链求解电感， 适用于工程解析方法，但是其计算精度跟线圈的交链状态有很大关系，误差较大能量法 从能量守恒的角度出发，根据场域中各点的雪和露积分得到整个场域的能量，求出电感， 适用于有限元仿真计算，其计算精度也比较高封闭场域内的能量为 既= 告j j p 固猡，q ：封闭场域 _q 积分体积遍及整个场域空间检测线圈等效电感工与能量的关系为 h o ：昙厶，2 + 寻厶j 2 + + 1 l 1 2 + m 2 ，2 + + 朋o ( n 。，2 ；昙廿2 ( 2 7 ) 可见，能量法计算只与电磁场的最终分布状态有关，1 5 y 8 仿真计算电感采用能量法 ( 2 ) 检测线圈有限元分析 检测线圈与a 3 钢平面之间的电磁关系以涡流效应为主，利用l s y s 的3 d 谐性分析模 块来计算电磁分布步骤可归纳如下：过滤图形界面、定义单元与材料性能、创建模型、 划分网络，加边界条件和激励载荷，选择分析类型、求解和后处理 输入几何模型和物理参数，矩形线圈宽为4 0 m m ，长为8 0 m m ，匝数为3 a 3 钢平面 的尺寸为3 0 0 m r a x1 8 0 m m x 5 0 m m ，其相对磁导率9 0 0 ，电导率l e 7 ，激励频率为2 m i - i z 检测线圈与硅钢平面平行，模型如图2 7 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 5 检测线圈一a 3 钢平面三维模型 该有限元分析为全尺寸模型。不考虑对称条件边晃条件的处理方法为，在线圈一导 体模型周围包围模型尺寸5 6 倍大小的空气，在外围空气界面上加通量平行条件，即此范 围之外没有磁通量 ( 3 ) 仿真分析结果 设间隙变化范围l m m , 3 0 m m ，可以得到给个间隙时场域的磁感应强度分布，在后处理 器中计算其等效电感，得到电感一河凉曲线如图2 8 图2 6仿真所得的等效电感一间隙曲线 从图2 8 所示的仿真计算结果可以看出，检测线圈电感量随着间隙的增大逐渐增大， 图中虚线部分为线圈空载时的电感量在影响等效电感的静磁效应和电涡流效应两种因素 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 中，电涡流效应起着主导作用，验证了本章前一节关于等效电感的分析 2 2 3 检测线圈的设计与优化 有限元仿真软件a n s y $ 能够方便的仿真检测线圈与a 3 钢平面之间电磁特性以及线圈 等效电感的v r f ：因此，更改检测线圈的几何模型，针对不同的形状，面积对检测线圈的 等效电感进行仿真计算，可以达到优化检测线圈设计的目的。 画画印o c i ) 正期章0 3 ) 矩形 c ) 8 宇塞 d ) 图形 图2 7各种形状的线圈 为了比较检测线圈在不同形状、面积下电感量的变化率，引入归一化电感量的概念， 它是线圈靠近被测导体时的电感量与空载时电感量的比值从归一化电感量的相对变化量 可以看出传感器的测量范围和灵敏度，从归一化电感量的曲线图上可以看出传感器的线性 度 检测线圈归一化电感量相对变化量越大，传感器的测量范围越大，灵敏度也越高；归 一化电感量弯曲程度越小，传感器的线性度越好 ( 1 ) 面积、匝数相同时，不同形状对等效电感的影响 图中，l 为长宽比为4 ：l 的矩形线圈，尺寸为8 0 m m x 2 0 m m ；2 为正方形线圈，尺寸 为4 0 m m x 4 0 m m ；3 为圆形线圈，半径为2 2 5 7 m m ；三个线圈都是3 匝 一 餐 脚 g s l 皿 捌 簟 争( 靛 罂 馋 脚 ( a ) 归一化电感量间隙曲线 电感相对变化量比较 图2 8被测导体对不同形状线圈电感量的影响 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 结论：面积、匝数相同时，圆形线圈的传感器测量范围最大，灵敏度最高，线性度也 最好，但不同形状线圈之间差别不大。 ( 2 ) 形状、匝数相同时，不同面积对等效电感的影响 图中1 为矩形2 0 m m x 2 0 m m 线圈，匝数为3 ；2 为矩形4 0 m i n x 4 0 r a m 线圈，匝数同 样为3 。 棚 皋 制 霞 罂 镣 脚 ( a ) 归一化电感量一间隙曲线 ( b ) 电感相对变化量比较 图2 9被测导体对不同面积线圈电感量的影响 结论：形状、匝数相同时，大面积线圈传感器的测量范围、灵敏度、线性度等参数均 明显优于小线圈传感器 ( 3 ) 面积、形状相同时，不同匝数对等效电感的影响 12 ( a ) 归一化电感量间隙曲线 电感相对变化量比较 图2 1 0被测导体对不同匝数线圈电感量的影响 图中l 为四匝矩形线圈，尺寸8 0 m m x 4 0 m m ，2 为单匝矩形线圈。 第1 7 页 5 4 3 2 1 o o d 0 o o 捌晕锹茛罂镣脚 国防科学技术大学研究生院学位论文 结论：面积、形状相同时，线圈匝数对传感器的测量范围，灵敏度、线性度等参数影 响不大 ( 4 ) 面积相同时，普通线圈和8 字型线圈对等效电感的影响 为了减小外接磁场对线圈的影响，问隙传感器的设计过程中采用了8 字型线圈图中 l 为8 字型线圈2 为普通矩形线圈 趔 镱 謦 g u g 8 l 玺 捌 譬 锹 靛 翼 鹫 脚 12 线圈编号 ( a ) 归一化电感量间隙曲线电感相对变化量比较 图2 儿普通线圈和8 字型线圈对电感量的影响 结论；面积相同时，8 字型线圈和普通线圈对传感器的性能影响不大 综上所述，圆形大面积的检测线圈具有较好的测量范围、灵敏度和线性度等指标因 此，在进行检测线圈的设计时，根据传感器安装的要求和电路板空间情况，尽量选择面积 较大的检测线圈 2 3 本章小结 本章分析了检铡线圈的等效电感，被测导体为磁悬浮车轨道下底面时，电涡流效应起 主导作用并且存在一个临界频率，当检测线圈的激励频率为临界频率时，检测线圈的电 感量不随着被测间隙的改变而改变运用有限元分析工具a i k s y $ 仿真了检测线圈空载时和 靠近孰道底面时的电感量；并仿真比较了不同形状、面积、匝数的检测线圈对传感器线性 度，灵敏度的影响通过比较发现。大面积的检测线圈具有较好的灵敏度和线性度 第1 s 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章温度特性分析及补偿办法 温漂是电涡流传感器的一个重要指标，调幅式电涡流传感器中检测线圈电阻是影响温 度稳定性的主要原因泌铡间隙传感器采用调频式电路结构，主要包含振荡电路和数字信 号电路两部分传感器的温度漂移主要集中在振荡电路的晶体管和检测线圈的温漂上。