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硕士论文轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 摘要 拥有无摩擦、无磨损、无需润滑、低功耗，无噪声等优点的磁悬浮轴承在如今飞速 发展的今天，其应用与需求是越来越广。磁悬浮轴承必须根据轴的悬浮状态不断地调节 磁场力的大小才能使轴实现稳定地悬浮，其关键技术之一就是对转子位移的实时检测。 本文研究用以轴向磁悬浮轴承控制系统系统的位移检测技术，根据系统的研制要求，主 要对电涡流，电感，电容三种常用的位移检测方法进行了比较研究。 在分析比较了各种电涡流检测电路原理的基础上，设计了调幅式的位移检测电路， 对激励信号的频率、波形进行了实验分析研究，从提高位移检测灵敏度的角度考虑，确 定了激励信号的频率和波形。 设计了差动电容式位移检测系统。采取印制板技术制作电容极板，并将检测电路与 电极做成一体，直接将位移变化导致的电容变化转变为电信号输出，大大减少了分布电 容的干扰，并在结构上采取了屏蔽措施，克服了外界电磁干扰的影响，使系统检测的可 靠性大大提高，并具有比较高的位移检测灵敏度。 将电涡流和差动电容位移传感器应用于轴向磁悬浮轴承，进行实际的使用对比实 验。根据实际效果，从安装的方便性考虑，电涡流传感器体积小，易于安装，而电容传 感器体积偏大；从灵敏度考虑，差动电容传感器灵敏度高于电涡流传感器；从经济性考 虑，电容位移检测系统较电涡流位移检测系统的成本低。就轴向磁悬浮轴承的位移检测 的运用，差动电容较电涡流位移检测技术更为合适。 关键词：磁悬浮轴承，电涡流，电感，差动电容，位移检测技术 硕士论文 a b s t r a c t a tt h eb o o m i n gd e v e l o p m e n t a lp r e s e n tt i m e ，m a g n e t i cl e v i t a t i n gb e a r i n g ，w i t hn o f r i c t i o n , n ow e a r , n ol u b r i c a t i o n , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , l o wn o i s e ，i sb e i n ge 赋e n s i v d y d e m a n d e df o ra p p l i c a t i o n m a g n e t i cl e v i t a t i n gb e a r i n gr o t a t i n gs 1 1 a 血m u s t , a c c o r d i n gt os t a t e o fs u s p e n s i o n ，c o n s t a n t l ya d j u s tm a g n e t i cf o r c et om a k ea x i ss u s p e n s i o n t h eo n ek e y t e c h n i q u ei st h er o t o rd i s p l a e e m e n t sd e t e c t i o ni nr e a l - t i m e a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n go f t h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h em a i nt a s ki st om a k ec o m p a r a t i v es t u d yo ft h r e ed i s p l a c e m e n t d e t e c t i o nt e c h n o l o g i e s - t h ee d d yc u r r e n t , i n d u c t a n c e ，a n dc a p a c i t o rd i s p l a c e m e n td e t e c t i o n t e c h n o l o g yu s e di nm a g n e t i cl e v i t a t i n gb e a r i n gs y s t e m b yc o m p a r i n g w i t ht h ev a r i o u se d d yc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t s ，d e s i g nt h ef md i s p l a c e - m e n td e t e c t i o nc i r c u i t , d o 。e x p e r i m e n t sa n da n a l y z et h ew a v e f o r ma n df r e q u e n c y t oi m p r o v e t h ed e t e c t i o ns e n s i t i v i t yo fd i s p l a c e m e n t , d e t e r m i n et h ei n c e n t i v et h es i g n a lf r e q u e n c ya n d w a v e f 0 1 i 1 d e s i g nad i f f e r e n t i a lc a p a c i t o rd i s p l a c e m e n ts y s t e m d e s i g np c ba n dd e t e c t i o nc i r c u i t p l a t ew i t he l e c t r o d e s ，a n dt h e nm a k eu pt h e m a l lo r g a n i cw h o l e ，j o i nd i s p l a c e m e n tc h a n g e s ， t h a ti sc a p a c i t a n c ec h a n g e ，i n t oe l e c t r i c a ls i g n a lo u t p u td i r e c t l y ，g r e a t l yr e d u c i n gt h e c a p a c i t a n c ei n t e r f e r e n c e ，a n da d o p tas h i e l d i n gi n e a s u r et oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo f t h e e x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s om a k et h es y s t e md e t e c t i o nr e l i a b i l i t i e sg r e a t l y i m p r o v e d , a n dt h e nm a k et h ed i s p l a c e m e n td e t e c t i o ns e n s i t i v i t y u s et h ee d d yc u r r e n ta n dd i f f e r e n t i a lc a p a c i t o rd i s p l a c e m e n ts e n s o ri na x i a lm a g n e t i c l e v i t a t i n gb e a r i n g ，c a l yo nt h ea c t u a lc o n t r a s te x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a le f f e c t , f r o mi n s t a l l a t i o nc o n v e n i e n c ec o n s i d e r a t i o n , e d d yc u r r e n ts e n s o rv o l u m ei ss m a l l ，e a s yt o i n s t a l la n dc a p a c i t a n c es e n s o rv o l u m es l a n t sb i g ，f r o ms e n s i t i v i t yc o n s i d e r a t i o n , d i f f e r e n t i a l i n d u c t i v es e n s o rs e n s i t i v i t yi sh i d e rt h a nt h ee d d yc u r r e n tt r a n s d u c e r , f r o mt h ee c o n o m i c c o n s i d e r a t i o n , c a p a c i t a n c ed i s p l a c e m e n td e t e c t i o ns y s t e m sa lem o r ec h e a p e rt h a ne l e c t r i c i t y e d d rd i s p l a c e m e n td e t e c t i o ns y s t e m s ou s i n gd i f f e r e n t i a lc a p a c i t o rd i s p l a c e m e n td e t e c t i o n t e c h n o l o g yi sm o r ea p p r o p r i a t et h a ne l e c t r i c i t ye d d yd i s p l a c e m e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yi n a x i a lm a g n e t i cl e v i t a t i n gb e a r i n gt h ed i s p l a c e m e n td e t e c t i o n k e yw o r d ：m a g n e t i cl e v i t a t i n gb e a r i n g , e l e c t r i c i t ye z l d y ，i n d u c t a n c e ，c a p a c i t o r d i s p l a c e m e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g y 硕士论文 轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 1 绪论 磁悬浮轴承( m a g n e t i cb e a r i n g ) 是一个利用磁力的作用使轴悬浮在定子中的机电产 品，由于无机械摩擦、无磨损，可以实现超高速旋转，振动、噪声也非常小，无需润滑 剂，对环境无污染，所以电磁轴承尤其适合在特殊环境中使用，其运用主要集中在军事 工业，真空和超净环境，机床，计算机设备和石油天然气工业中。 1 1 磁悬浮轴承简介 按工作原理，磁悬浮轴承系统可分为三类：主动磁悬浮轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 、被动磁悬浮轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ) 、混合磁悬浮轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a x i n g ) 1 1 1 2 1 。 在磁悬浮应用领域中，主动磁悬浮轴承使用最多，是因为主动磁悬浮轴承的轴承刚 度、轴的位置和阻尼是可以由控制系统确定的。 图1 1 所示为一个主动轴向磁悬浮轴承系统组成和工作原理。 主动轴向磁悬浮轴承系统主要由四个部分组成：机械系统( 含电磁铁) 、位移检测 系统、控制系统和功率放大系统，下面对这四个部分进行一一的介绍： 线圈 推力盘 轴 位移传感器 图1 1 主动磁悬浮轴承系统的工作原理和组成部分 ( 1 ) 机械系统 磁悬浮轴承是机电一体化产品，首先要有机械结构来安装电磁轴承和位移检测系 统，其次就是要有产生磁力的电磁铁，电磁铁实际上是通有电流的激励线圈在空中产生 的磁场，通过磁场产生磁力，是磁悬浮轴承的基础。它主要由线圈，电磁铁，推力盘， l 1 绪论 硕士论文 转子( 轴) 组成。 ( 2 ) 位移检测系统 在任意时刻的位置信号是由位移检测系统采集转换精度、灵敏度较高的和抗干扰、 抗磁场影响、线性度好、稳定的信号反馈给控制器来实现轴的稳定悬浮。作为反馈的位 移检测系统，其性能好坏将影响到磁悬浮系统的稳定性，所以设计出灵敏度高，分辨率 高且稳定的位移检测系统很重要。它主要由位移传感器，调理电路组成。 ( 3 ) 控制系统 控制系统，通过位移检测系统后的信号按照一定的控制策略处理后产生相应的控制 信号，产生的控制信号通过功率放大器作用于线圈产生额外的力使得轴在定子中能够实 现稳定地悬浮。 ( 4 ) 功率放大系统 通过功率放大系统使得控制系统输出的控n d , 信号放大后能驱动轴工作，为轴提供 额外的驱动力。 1 2 磁悬浮轴承发展历程 1 8 4 0 年英国剑桥大学恩休( s e a m s h a w ) 教授提出了采用抗磁性材料是不能使磁悬 浮轴承稳定悬浮，必须要选择永久磁铁结构与其相匹配使用。 1 9 3 7 年，德国肯珀( k e m p e r ) 日0 请了第一个有关悬浮技术的专利，他提出了必须根 据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小才能使铁磁体实现稳定的悬浮，即采用可控 电磁铁实现【1 j i j j 。 1 9 3 9 年，布朗贝克( b r a t m b e k ) 对磁悬浮轴承的理论有了新的发现：唯有抗磁性材料 才能依靠选择恰当的永久磁铁结构与相应的磁场分布而实现稳定悬浮昭1 。主动磁悬浮的 概念的最初想法就由此孕育而生了。 在1 9 5 7 年，第一个提出主动全悬浮系统是由电磁铁和感应传感器组成的h i s p a n o s u z i e 公司获得了法国专利( f r e n c hp a t e n t1 1 8 6 5 2 7 ，n o v e m b e r ，1 9 5 7 ) ，这项技术是现代 磁悬浮技术的开始i l j 【4 j ，打开了磁悬浮技术的研究和运用的大门。 2 0 世纪6 0 年代中期，随着电力电子技术、磁性材料技术、转子动力学、计算机技 术和控制理论的飞跃发展，对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。英国、日本、德国 都相继开展了对磁悬浮列车的研究，磁悬浮技术的研究也逐渐有理论转向实际的运用 【l 】 2 1 。在同一时代，英国、日本和德国根据不同的设计方案，分别制造出了磁悬浮列车 的样机。德国对磁悬浮技术的研究主要集中在电磁型( e l e c t r om a g n e t i cs y s t e m ，简称e m s 型，也称吸力型、常导型) 磁悬浮列车的研究。日本主要集中于电动型( e l e c t r od y n a m i c s y s t e m ，简称e d s 型，也称斥力型、超导型) 磁悬浮列车的研究与开发工作。在2 0 0 6 2 硕士论文 轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 年8 月2 1 日“中华0 6 号 拥有自主知识产权的中国永磁悬浮列车实验成功，最高 时速高达5 3 6 公里每小时，此项技术超过了德国。这是中国磁悬浮列车技术的新里程碑， 也是国人的骄傲【2 j 。 从那时起，国内外对磁悬浮轴承的运用取得了惊人的成就：迅速地运用于国防、 航天、机床、真空环境中： 1 9 7 6 年法国s e p 公司和瑞典s g y 公司联合成立了s 2 m 公司，专门开发工业应用 的磁悬浮轴承，在1 9 7 9 年、1 9 8 0 年发表了论文，全面介绍了主动磁悬浮轴承的工作原 理，1 9 7 7 年，开发出世界上第一台高速机床电主轴，1 9 8 1 年，推出了b 2 0 5 0 0 的主轴 系统。1 9 8 3 年1 1 月，欧洲空间试验仓内采用了磁悬浮轴承真空泵。1 9 8 6 年，日本在 h 一1 型火箭上进行了磁悬浮飞轮的实验。1 9 8 8 年，在瑞士苏黎世召开了第一届国际磁力 轴承会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m o l lm a g n e t i cb e a r i n g s ，i s m b - 1 ) ，此后该会妙每两年 召开一次。1 9 9 1 年，美国航空航天管理局召开了“磁悬浮技术在航天中的应用( a e r o s p a c e a p p l i c a t i o no fm a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ) ”的学术讨论会，此后也是每两年召开一 次。在这些会议上，发表了大量关于磁力轴承研究的论文，极大推动了磁力轴承应用的 研究。国际上的这些研究工作也大大推动了磁悬浮轴承技术的发展1 2 j 1 6 j 。 在国内，磁悬浮轴承的研究涉足的单位有1 0 余家。1 9 8 2 年清华大学就小钢球的单 自由度磁悬浮进行了理论分析和试验研究；1 9 8 3 年上海微机电研制了我国第一台全悬 浮磁力轴承样机；1 9 8 6 年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学对“磁力轴承的开发及 其在f m s 中的应用 课题进行了研究；1 9 8 8 年哈尔滨工业大学提出了磁力轴承结构优 化设计理论与方法；从1 9 9 2 年起，武汉理工大学相继对磁力轴承高速磨削主轴机构以 及磁力轴承虚拟设计进行了研究，对转子结构特性、磁力轴承转子系统的力耦合和力矩 耦合进行了深入研究；1 9 9 8 年上海大学开发了磁力轴承控制器；2 0 0 0 年清华大学与无 锡开源机床集团研制了内圆磨床磁力轴承电主轴；在2 0 0 5 年8 月，由清华大学、武汉 理工大学等单位发起的第一届中国电磁轴承学术会议( c s m b - - 1 ) 在北京举行，主题是 “磁悬浮轴承研究进展 ，由此开了我国磁悬浮轴承领域学术探讨的先河【2 3 1 。 1 3 磁悬浮轴承位移检测技术要求的提出 磁悬浮轴承是根据轴的悬浮状态不断地调节磁场力的大小才能使轴实现稳定的悬 浮，这就要求轴在悬浮的过程中，要对其位移进行实时的检测，所以磁悬浮轴承的位移 检测系统是系统必不可少的，而磁悬浮轴承检测的位移是微小位移的变动量，为了提高 磁悬浮轴承的性能和承载能力，轴和定子之间的气隙要尽量小，一般在几十分之一毫米 到零点几毫米之间，这么小的位移，对轴位移检测的精度自然要求很高，精确测量轴位 移的偏移量，可以使控制系统能够实时地保证轴在定子中能够稳定悬浮，所以位移检测 3 1 绪论 硕士论文 技术是磁悬浮轴承系统的难点所在，位移检测系统的好坏将直接影响到控制系统的好 坏，设计出灵敏度高，分辨率高且稳定的检测系统很重要，并且由于磁悬浮轴承应用环 境的复杂性，尤其是在特定的环境下，设计高性能的位移检测系统比较重要。 磁悬浮轴承系统性能的优劣在很大程度上取决于所采用的位移检测技术，根据磁悬 浮系统本身的特点，位移检测系统应该具有以下性能： ( 1 ) 具有高精度 因为磁悬浮轴承的定子与轴之间的间隙很小，所以控制系统的允许偏差量要小， 位移允许的偏差量小，所以位移检测系统要有很高的精度，如果位移检测系统的精度差， 将不会检测到微小位移的变化，同时也就不能做出相应的控制，来使得轴回到平衡位置， 久而久之，就会产生很大的位移变化，甚至可以造成灾难性的后果，初步选定为0 0 1 m n l o ( 2 ) 具有高的分辨率 在磁悬浮轴承系统中，为了使轴的刚度和承载能力变大，定子与轴之间的气隙要 小，如此小的间隙就必须要求位移检测系统具有较高的分辨率来保证控制的精度，初步 选定轴每移动0 0 1 m m ，位移传感器的电压信号就要有2 0 m v 的变动。 ( 3 ) 具有高的动态响应 轴在悬浮时要求检测位移必须具有实时性，且有足够快的动态响应，即系统要灵敏， 在检测微小变化的情况下，系统能做出很大的反应，所以系统的灵敏度要越大越好。 ( 4 ) 具有高稳定性、抗干扰的能力 外界温度及电磁线圈发热和电磁线圈产生的电磁干扰都是随着电磁轴承的工作而 产生的，所以要求位移检测系统能够具备抗干扰性和抗高温的能力。 1 4 磁悬浮位移检测研究的现状 由于电磁轴承的基本原理和特点，电磁轴承对传感器的基本要求是非接触、能真实 地反应转子中心位移的变化，而且测量的范围一般较小，所以对传感器灵敏度技术要求 很高。屯磁轴承的目前能实现磁悬浮轴承位移检测常用技术有电涡流、电感和电容位移 检测技术。它们各自有特点： 目前国内外普遍都利用电涡流传感器检测磁悬浮轴承的位移。电涡流位移传感器是 基于敏感探头线圈与被测目标导体在空中产生交变的电磁场理论，是利用电涡流效应进 行测量，它是非接触式传感器，所以在磁悬浮轴承位移检测系统中得到广泛应用。但由 于电涡流传感器对温度比较敏感，如不加以考虑，会在高速、高精度测量时产生误差， 而磁悬浮轴承中本身就会产生磁效应，因为它是由磁生电与电生磁的原理产生作用的， 所以它在磁悬浮轴承系统中，敏感线圈对电磁铁线圈产生的磁场比较敏感，所以位移检 4 硕士论文 轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 测系统在安装时，抗干扰的措施尤其重要。 法国s 2 m 公司运用的是电感位移传感器，电感式传感器是利用线圈互感的变化实现 位移测量的一种装置。它可以把非电量转换为线圈互感系数m 的变化，从而可以转换成 电量的变化。电感式传感器结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高，但频率响应较低。 电容式传感器是由两个或三个极板之间距离发生变化而使得电容量发生变化，通过 相应的检测技术把位移信号变成可测量的电压信号，所以电容式传感器不存在电磁场耦 合的现象，而且电容传感器成本比较低，结构比较的简单，功耗小，分辨率高，动态响 应速度快等优点。 考虑到现有电涡流传感器存在的上述问题，国内外学者在无传感器的磁悬浮转子位 移自检测技术方面进行了很多研究。无位置传感器磁悬浮轴承系统是基于主动磁悬浮轴 承的工作原理而建立的，主要由轴、电磁铁、位置自检测电路、控制器和功率放大器组 成，有磁场叠加式和电流叠加式其系统设计简单，容易调整控制参数，功率放大器损 耗小，采用的开关管成本较低，静态工作点一致性好，系统无需传感器而使成本降低， 而且无位置传感器的磁悬浮轴承系统无需考虑轴承中电磁耦合的影响，抗干扰能力比较 强，使用起来方便，但如今此项技术正处于实验室理论分析探索阶段，所以不利于解决 当前的实际情况。 南京航空航天大学提出可以利用探测线圈对无轴承电机磁悬浮转子的位移进行间 接测量，该测量方法在定子槽内缠绕探测线圈，利用探测线圈测量气隙磁密，建立气隙 磁密方程组，通过解气隙磁密方程组得到转子的偏心位移。这种方法无需复杂的硬件即 可通过计算获得转子的位移，但是检测精度受线圈自身影响较大，而且对线圈的绝缘要 求很高，计算过程也相当复杂。 南京航空航天大学还进行了磁轴承转子位移自检测的研究，提出差动变压器式自检 测方法。该方法通过检测系统电路提取含有转子位移信息的小信号测试电压，再经过处 理得到与转子位移信息成正比的电压信号，由低通滤波后得到与转子位移成正比的直流 位移信号，模拟p i d 控制器将位移信号经功率放大器后控制悬浮。 武汉理工大学相关课题组提出集成的涡流检测系统，即自行设计集成的电涡流传感 器，在设计探头结构时考虑对非线性、温度等进行补偿，同时将原传感器前置器中的电 路与控制电路相集成，并利用软件对检测系统的特性进行补偿。这种位移检测系统考虑 了对传感器的非线性补偿和温度补偿，检测精度得到很大的提高，而且集成度也非常高， 虽然难度有些大，不过正在研究设计阶段，也取得了一些成绩。 日本东京大学t e r at a k a h i r 等人对无传感器无轴承电机进行了研究，通过对与转 子位移有函数关系的互感电流进行检测来获得转子的位移信号，提出用悬浮电流估值器 降低转子位移扰动。 5 1 绪论硕士论文 美国爱荷华大学的n o hm y o u n g g u y 提出使用参数估值法的自检测磁轴承，通过对磁 轴承电流信号进行处理获得转子的位置。转子位移自检测方法因为不使用传感器而使得 系统结构简单、尺寸变小，磁悬浮系统的成本降低，但是却增加了控制系统的难度，不 利于磁悬浮系统的产品化。而且应用于磁悬浮转子的位移自检测方法其应用还不够完 善。 1 5 课题研究的任务 本课题组受企业委托，研制轴向磁悬浮轴承系统，所研究的轴向磁悬浮轴承系统， 只受到轴向的负载而使轴沿轴向运动，因为所研究的位移比较小，外界环境的影响比较 复杂，给位移检测的技术的研究带来难点，而从经济性考虑，本文自制位移检测系统来 满足本系统的要求。 研究的任务主要有以下几点： ( 1 ) 本文根据位移检测的要求，从目前磁悬浮轴承位移检测系统常用的几种检测 方法一电涡流、电感、电容，进行比较研究，设计出具体的位移检测系统，并确定其 技术参数是否满足本系统提出的技术指标要求。 ( 2 ) 设计控制系统，把位移检测到的信号送入控制器，进行位移信号的控制。 ( 3 ) 构建系统实验，通过对实验的分析，选择适合的轴向磁悬浮系统的位移检测 系统。 6 硕士论文 轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 2 位移检测技术研究 由轴向磁悬浮轴承位移检测的要求，本文采用电涡流、电感作为位移检测的传感器， 又由于轴向磁悬浮轴承位移检测的单向性，位移检测技术又可以采用电容传感器。本章 一一对这三种技术进行研究，构建实验，确定这三种技术中主要的技术指标，并进行比 较研究。 2 1 电涡流检测技术研究 本文先对如今在磁悬浮轴承位移检测上运用最广的电涡流检测技术进行研究，并确 定它的几个静态参量是否满足本系统的要求。 几乎所有的金属材料都会在其表面感应出电涡流，因此，利用电涡流效应，在不接 触金属目标的情况下，准确探测到金属目标的存在，而且不受敏感线圈与被测目标体之 间的非金属介质的影响，是非常理想的非接触测量传感器。目前，电涡流传感器已经被 广泛用于实现金属目标体的位置、位移及接近程度的非接触测量，将这种类型的传感器 统称为电涡流位移传感器【1 4 】。与其他类型的非接触的光学、超声位移传感器，电涡流位 移传感器具有可靠性好、适应环境温度范围宽、抗环境污染能力强等特点。由于检测位 移的方式是非接触的，所以对轴的旋转状态不会有影响，所以在磁悬浮位移检测中，电 涡流传感器的运用是最常见的。 2 1 1 电涡流探头的选择 典型的电涡流位移传感器结构如图2 1 所示。它由四部分组成：敏感线圈、被测目 标、信号电缆及前置器。敏感线圈用高强度漆包线、银线或铜钨合金线绕制而成，用黏 合剂粘在框架端部或绕制在框架槽内；被测目标虽然与传感器是分开的，但也是实际传 感器的一部分；信号电缆把敏感线圈与激励信号共同产生的电信号送入前置器，而前置 器的目的是把电感变化即敏感线圈与被测目标之间的距离产生后的不易测量的电信号， 通过一系列的调理后，送入磁悬浮轴承的控制系统中。 实际的电涡流位移传感器是由扁平线圈固定在框架上的，并用黏合剂粘在框架槽 内，框架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，常用的材料有高频陶瓷、聚 酰亚胺、环氧玻璃纤维、氮化硼和聚四氟乙烯等。扁平线圈中的敏感线圈主要是用高强 度银线或漆包线、铜钨合金线绕制而成，由于线圈采用高频电流激励，传感器探头与前 置器的连接要选用同轴电缆和高质量插头【1 4 1 。电涡流传感器中敏感线圈直径变动范围可 以从几m l t l 到l m 甚至更大，要看敏感线圈的直径有多大，一般是直径的一半，线性度 7 2 位移检测技术研究硕士论文 一般为1 ，温度系数大约在1 0 山f 到1 0 - a 。c 之间。最小的传感器可分辨纳米量级的位 移，测量范围为l m m 的传感器可达到1 0 p 聊甚至更高的测量精度，传感器的响应带宽 可达5 0 k h z 。 电 被测目标 前鬟器 图2 1 电涡流传感器结构 传感器探头选择很重要，它关系到后续测量电路的灵敏度，在选择中需要考虑如下 的几个因数： ( 1 ) 高q 值因为它决定温度稳定性、功耗、噪声等性能的主要因素，任何能提高q 值 的措施都是有利的，但小尺寸的传感器很难得到高q 值。 ( 2 ) 大电感因为提高q 值，可以降低功耗，但大电感的线圈一般自谐振频率较低。 ( 3 ) 小电阻因为这样可以提高q 值，降低功耗，但大电感需要牺牲频率特性。 ( 4 ) 优化线圈尺寸可实现位移灵敏度的最大化，但线圈尺寸过大，被测金属目标的尺 寸也需要大一些。 ( 5 ) 扁平盘状线圈线圈的每匝到被测目标的距离相同，灵敏度最高，但平面线圈抑制 了线圈匝数，降低电感。 ( 6 ) 工作在高频提高q 值，降低探头功耗，增大响应带宽，但频率必须低于自谐振频 率，高频往往会增加电路的功耗。 ( 7 ) 缩短电缆的长度可降低电缆噪声、温度的漂移，电缆成本，提高s r f ，但前置电 路在敏感线圈近处，会限制传感器的使用温度范围。 本文根据磁悬浮轴承的位移检测系统的要求，初步选择控制量允许偏差为+ 1 0 1 a m ， 浮动精度为+ 5 0 p m ，根据探头参数的选择原则，因为检测的位移量是微小位移的变化 量，所以选用电涡流探头时外径要小，这样灵敏度就会高。 本文选用探头的型号参数为：c w y - d 0 8 1 0 3 0 1 0 0 0 2 1 0 0 2 ，内径为o 7 5 m m ，外径 8 硕士论文轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 3 5 r n m ，敏感线圈长度3 m m ，无螺纹壳体长度2 m m ，壳体长度2 6 m m ，l = 1 5 p 日，采 用同轴电缆作为与前置器的信号传输线，其长度为l m ，因为探头的直径小，才会检测 出更小的位移。 选好了电涡流传感器探头后，首先要安装传感器，因为要检测轴的位移，而轴的表 面也会产生电涡流效应，所以把轴作为目标器件，用螺纹连接的形式把电涡流传感器的 探头连接在辅助支架上，辅助支架做成一个圆形环，把传感器的敏感探头与外界隔开， 还把整个轴承座与大地相连，此举是考虑抗干扰的影响。如图2 2 所示为电涡流传感器 的安装方法，其中屏蔽罩用的是聚四氟乙烯材料，通过调节电涡流传感器探头与辅助支 架的距离，使得电涡流传感器达到最灵敏的区域。然后就是调理电路的搭建，搭建电路 图后，通过与探头相连的同轴电缆进行位移检测信号的传输。 图2 2 电涡流传感器的安装 2 1 2 检测电路设计总体方案 电涡流传感器有高频反射式涡流传感器和低频透射式涡流传感器，高频反射式涡流 传感器一般运用于对位移的测量，低频透射式涡流传感器用来进行厚度的测量。由磁悬 浮轴承位移检测的要求，选用高频反射式涡流传感器。 图2 3 为高频反射式涡流传感器，电涡流传感器主要是一个扁习的线圈电感，与电 容并联后，构成并联谐振回路，固定在框架槽内，输入高频信号给传感器线圈，使电感 与电容组成的电路产生振荡，通过磁生电原理在空中产生交变的磁：场。由图2 3 所示， 敏感线圈靠近被测物体，两者初始相距为d ，当线圈以i 的高频激磁电流通过时，就会 产生磁通由。该交变磁通作用于被测物体金属时，就会产生肌肤效应在金属表层产生电 涡流，根据楞次定律会产生与其磁通相反的磁通电，籼始终阻碍巾的变化，在被测导体 9 2 位移检测技术研究硕士论文 内的电涡流损耗和磁滞损耗，造成交变磁场能量的损失，而交变能量的损耗，使传感器 的等效阻抗z 、等效电感l 和品质因数q 的值都发生相应的变化。因而当被测导体的 电导率o 、磁导率p 、线圈的激励频率f 以及传感器与被测体间的距离d 发生变化时， 将引起传感器的z 、l 和q 的变化。 图2 3 电涡流传感器原理图 选择好电祸流传感器的探头和被测目标后，开始前置器的设计工作。前置器的设计 就是传感器电路的设计，而电涡流位移传感器电路设计的目的是使电路的输出信号与距 离与温度无关成线性关系。传感器的敏感探头将位移转换为电感阻抗的变化，通过电路 把它转换为其它电参量，如幅值、相位或频率的变化，需要对信号进行解调、温度补偿 以及电平调整。这些功能有些可以用模拟电路实现，有些则可以采用数字电路实现，后 者采用模拟数字电路混合的方式实现【1 4 1 。 电涡流传感器的电路设计基本上是以图2 4 所示的等效电路为基础的，电涡流传感 器的敏感线圈可看作是变压器的原边，而被测金属看作是变压器的副边，是一个空气耦 合的变压器。根据电涡流传感器的基本原理，传感器线圈与被测对象之间距离的变化可 以转换为线圈的品质因数q 、等效阻抗z 和等效电感l 的变化。检测电路的任务就是 把这些参数的变化变换为电压、电流或频率的变化。到目前为止，电涡流传感器测量电 路用的测量方法共有三种：交流电桥法，正反馈法和谐振法。 图2 4 电涡流传感器的等效电路 本文采用谐振电路，谐振电路法是将传感器的探头线圈l 与固定电容c 构成一个 并联谐振电路，优于交流电桥电路和反馈放大测量电路，所以在很多的场合都能用到它。 1 0 硕士论文 轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 本文在研究传感器时就采用谐振传感器，谐振式电路原理基本有调频法和调幅法，下面 就本文研究的检测电路而言，比较一下电路并对其进行电路方案的选择： ( 1 ) 调幅法测量电路 调幅法的测量原理如图2 5 所示，传感器线圈l 和电容器c 并联组成谐振回路。石 英晶体组成石英晶体振荡电路，为谐振回路提供稳定的恒流源。设定空载时，l c 并联 谐振回路的谐振频率等于石英晶体的振荡频率。当金属导体远离敏感线圈时，线圈的等 效电感l 发生变化，导致了振荡回路呈现最大阻抗，回路上的输出电压也最大；当金属 导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感l 发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压 降低。l 数值随距离x 的变化而变化，因此输出电压也随x 而变化。输出电压经过放大、 检波后，信号调理后将信号调整为后续电路可以处理的，可以观察的电压信号。 图2 5 调幅式电路测量原理 ( 2 ) 调频调幅法测量电路 调频调幅法电路由振荡器，检波器，滤波器和输出器等四部分组成，此电路更能反 映了敏感线圈q 值的变化。 ( 3 ) 调频法测量电路 定频调幅电路在磁悬浮位移检测中应用较广，但电路复杂，线性范围较窄，而调频 测量电路则比较简单，线性范围也较宽，可以把信号直接接入数字信号器中，让数字系 统进行线性化处理后和进行位移的控制，也可以进行f 变换后，送入磁悬浮位移的检 测系统，当传感器线圈与被测导体间的距离发生变化时，引起电涡流传感器线圈的电感 量和阻抗发生变化，使振荡器的频率改变，最后可用频率值来表示磁悬浮轴承的位移的 变化，可以通过f 转换，以反馈系统送入磁悬浮位移控制系统，实现磁悬浮位移的检 测，还可以通过产生的频率信号送入d s p ，f p g a 中d s pb u i l d e r 进行处理，产生一套 控制的策略来实现位移的控制。 就谐振电路而言，调频调幅法电路比较地复杂，运用调频法在位移检测系统中，如 果采用数字系统进行研究，就会大大的增加成本和系统的复杂性，出来的信号也可以用 州转换，而且在调幅法可用的前提下，f 就失去了研究的意义，因为本文追求是简 单和成本低的位移检测技术，所以就选用调幅法的检测电路。 本文运用调幅法进行磁悬浮位移的检测，因为调幅法的电路简单，易于实现。拟定 1 1 2 位移检测技术研究硕士论文 了具体的检测方案，本文采用检测电路总体方案整体框图如图2 6 所示： 匿姚吲位微调引路蚓黼习 l路r 刁l幅电路阿l ”一q 闻r 7 l 肌八” 图2 6 电涡流传感器检测电路总体框架图 由框图可得：信号发生器发出一个振荡信号，来激励电涡流线圈，根据欧姆定理( 分 压原理) 出现幅值随电涡流探头位移变换的振荡信号，因为要使电压可以测量，所 以要把变化的交流信号变成可以测量的电信号，所以要通过调理电路，把信号变成可以 测量的直流信号，通过放大后反馈给控制系统，使其位移检测系统输出的位移与电压的 信号能更好地为控制系统服务。 2 1 3 检测电路设计 ( 1 ) 信号发生电路 因为在实际运用中，采用空心敏感线圈的传感器一般工作在1 0 0 k _ h z 到1 0 m h z ， 所以在选择电压跟随器式用到的运算放大器有很大的讲究，再者因为磁悬浮轴承的转速 为3 0 0 0 0 r m i n ，即要检测的频率为5 0 0 h z ，但一般传感器的反应速度必须大于等于其1 0 倍，而电涡流检测本身最好是在高频检测，初步拟定谐振频率5 0 0 k h z 到7 0 0 k h z 之间。 再通过实验论证，设定哪个频率段比较好。 信号发生电路采用m a x i n 公司生产的高频波形发生器m a x 0 3 8 。m a x 0 3 8 的性能 特点：1 ) 能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波( 含方波) 、正弦波信号。2 ) 频率范 围从o 1 h z - 2 0 m h z ，最高可达4 0 m h z ，各种波形的输出幅度均为2 v p p 。3 ) 占空比调 节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是1 0 9 0 。4 ) 波形失真小，正弦波失真度小于0 7 5 ，占空比调节时非线性度低于2 。5 ) 采用5 v 双电源供电，允许有5 变化范围，电源电流为8 0 m a ，典型功耗4 0 0 m w ， 工作温度范围为o 7 0 。6 ) 内设2 5 v 电压基准，可利用该电压设定f a d j 、d a d j 的电压值，实现频率微调和占空比调节。 m a x 0 3 8 使用5 v 的电源，输出幅度为2 v p p ，输出阻抗的典型值为o 1q ，可直 接驱动1 0 0 q 的负载。输出的波形由地址a 0 、a 1 的输入数据进行选择：a 1 为1 、a 0 任意，输出波形为正弦波；a 0 、a 1 均为o 时，输出波形为方波；a 1 为0 、a 0 为1 时， 输出波形为三角波，振荡频率由c o s c 引脚的电容量和i i n 引脚的电流决定。 本文利用该器件通过可调电阻产生不同频率的正弦波和方波信号，再通过实验数据 来确定选用激励信号的类型，m a x 0 3 8 的工作电路如图2 7 ( a ) 所示为产生方波信号， 产生的类型由3 ，4 脚确定，若4 脚接高电平，则产生正弦波信号，采用存储示波器进 行对电路信号的存储，如图2 7 ( b ) 所示为实际产生的波形，初定激励频率为5 0 0 k h z ， 由频率在1 0 0 0 k h z - - 1 0 0 0 mh z ，电容值应选择2 2 0 p f ，此电路中电阻选择金属膜电阻， 1 2 硕士论文 轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 电容选择陶瓷电容，由1 9 号管脚输出地是稳定的本研究想要的高频电压信号，通过滑 动变阻器来改变所需频率的值，其中v c c l 为5 v ，v c c 2 为5 v ，均由稳压电源提供， 电源旁与地连有c 3 电容，目的是使供电电源外部的噪声比较小，对系统不会产生额外 的噪声信号。 ( a ) 省前吾录爨盘h j ( b ) 图2 7m a x 0 3 8 正弦波振荡电路 ( 2 ) 位移- 电压调幅电路 传感器的电感量随着位移的变化而变化，其电路原理是基于欧姆定律，电路如图 2 8 ( a ) 所示： 敏感线圈电感l ( x ) 与c l 并联后与墨串联，根据欧姆定律有： 1 3 2 位移检测技术研究硕士论文 虬= 南以 ( 2 1 ) c 1 选择o 0 1 u ，而足= 墨+ 乙，c i ，由i 乙，c li = 墨，可得r i = 1 0 0 ，信号产生调幅式的 波形如图2 8 ( b ) 所示，其中r ( x ) 为电感线圈的电阻，r l 为金属膜电阻，c l 为瓷片 电容。 i 1 3 0 p l _- - - c 1 c 嘲一 0 0 1 邱町” 鲥垤雕乎 动作 圃 格式 圆 关于 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 0 8 j p 丘 c 裁专鼯彬一一m 1 舢蕊一撩i ”，e 渤 ，。 2 1 _ 抖州02 幺粗黝0 氇 虹 i ( b ) 图2 8 位移一电压调幅电路 ( 3 ) 调理电路： 把幅值可变的交流信号变成可以测量的电压信号有整流滤波和检波滤波： 运用整流的方式由桥式电路和滤波电路组成，其原理图如图2 9 所示，桥式电路由 二极管组成。 路。 1 4 v i 裂= rl j l a一- - c 2 v 饿 图2 9 桥式整流滤波电路 其桥式整流仿真图像如图2 1 0 所示，信号负半周截止，所以本文运用检波滤波电 硕士论文轴向磁悬浮轴承位移检测技术研究 n m e b a s e 。一一c h a n n e l 冀 一 s c a l e ：2u s b i vs c a l e ：5 0 0m v 忍 xp o s 。鼢￥) ：0yd o s 。鼢y ) ：0 图2 1 0 桥式整流滤波仿真图 检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。它的工作过程正好和调幅相 反。检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。常用的有：二极管和三极 管。另外为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常 包含非线性元器件和滤波器两部分。 因为在高频时，包络检波运用比较多，本文就运用包络检波，包络检波电路有很多 种，无源的有二极管检波，有源的有三极管、运放等，另外还有单向检波、桥式检波、 同步检波等等，最简单的，也是用得最多的就是二极管和三极管的检波电路。 因为由m a x i n 0 3 8 产生的激励源工作在高频，用有源的检波电路，电路元器件的 性能达不到高频信号和快速转换的要求，而用无源的二极管构成检波电路，进行信号的 检波，简单，成本又低。 二极管包络检波器主要由二极管和r c 低通滤波电路组成。二极管导通时，输入信 号向c 充电，充电时常数为r c ，充电快；二极管截止时，c 向r 放电，放电快。在输 入信号作用下，二极管导通和截止不断重复，直到充放电达到平衡后，输出信号跟踪了 输入信号的包络。如果参数选择不当，