（机械电子工程专业论文）磁力轴承电感位移传感器的研究.pdf

摘要 磁力轴承具有无机械接触、无须润滑、刚度、阻尼可控等优点，广泛应用 于工业、国防、航空航天等领域。主动磁力轴承的性能受其控制系统的制约， 而控制精度受其中所采用的传感器的限制。电感式位移传感器具有信号衰减小、 抗干扰能力强等优点，有利于提高磁力轴承控制性能。本文研究了用于磁力轴 承系统的电感式位移传感器，以提高磁力轴承控制系统的精度，为设计高速 ( 6 0 0 0 0 v m i n ) 、高精度磁力轴承奠定基础。 建立了磁力轴承差动变压器式电感位移传感器的数学模型，针对现有磁力 轴承的特点以及磁力轴承系统对传感器的要求进行了传感器的参数设计，包括 探头基本尺寸、线圈匝数及线径、激励信号频率及幅值等主要参数。 利用a n s y s 进行了传感器探头的磁场分析，得出传感器探头中的磁场分 布，对结构设计进行验证，分析了磁场位移关系，初步确定了传感器的线性 测量范围。 设计制作了相敏检波电路作为传感器的测量电路，对于测量电路的每个主 要电路都进行了p s p i c e 仿真，验证了原理的正确性，并对电路参数进行优化设 计。对差动变压器式传感器进行了静态标定。静态标定实验研究结果表明，所 研制的传感器具有较宽的线性范围、较好的线性度、较高的灵敏度，完全适用 于磁力轴承控制系统。 本文所做的工作一方面可以为磁力轴承控制系统提供专用位移传感器，另 一方面可以为自感式( 无传感器式) 磁力轴承的研究奠定一定的理论基础。 关键词：磁力轴承，差动变压器，电感传感器 a b s t r a c t m a g n e t i cb e a r i n gh a st h em e r i t so fc o n t a c t f r e e ，1 1 0l u b r i c a t i n g ，c o n t r o l l a b e r i g i d i t ya n dd a m p i n g ，e t c t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s s u c ha s i n d u s t r y , n a t i o n a ld e f e n s e ，a e r o s p a c ee t c t h ep e r f o r m a n c eo fa c t i v em a g n e t i c b e a r i n gi sc o n f i n e db yi t sc o n t r o ls y s t e m h o w e v e r , t h es e n s o r sr e s t r i c tt h ec o n t r o l p e r f o r m a n c e t h ei n d u c t a n c es e n s o rh a st h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i g n a la t t e n u a t i o n , g o o da n t i j a m m i n ga b i l i t y a n ds oo n , s oi ti sg o o df o ri m p r o v i n gt h ec o n t r o l p e r f o r m a n c eo f t h em a g n e t i cb e a t i n g i nt h i sp a p e r ，a l li n d u c t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o r i ss t u d i e d , a m i n ga ti m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no ft h em a g n e t i cb e a r i n g sc o n t r o ls y s t e m ， t h e r e f o r em a k e st h ef o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n gt h em a g n e t i cb e a t i n g sw i t hh i g hs p e e d ( 6 0 0 0 0 r m i n ) a n dh i g ha c c u r a c y t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e ri n d u c t i v es e n s o r 也a t a p p l i e di n t h em a g n e t i cb e a r i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g m a g n e t i cb e a r i n g sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h em a g n e t i cb e a r i n gs y s t e m sr e q u i r e m e n t so f t h es e n s o r s ，t h es e n s o r sp a r a m e t e rh a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h eb a s i cs i z eo ft h e p r o b e ，t h ec o i l sn u m b e ro fw i n d i n g sa n dw i r ed i a m e t e r , t h e s t i m u l u ss i g n a l s 丘e q u e n c ya n di t sp e a k - t o - p e a kv a l u e e t c t h em a g n e t i cf i e l da n a l y s i so ft h es e n s o r sp r o b eh a sb e e nc a r r i e do u tu s i n g a n s y s ，t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ep r o b eh a sb e e no b t a i n e d ，t h u s c o n f i r m st h es t r u c t u r a ld e s i g n t h em a g n e t i cf l u x d i s p l a c e m e n tr e l a t i o n s h i ph a sb e e n a n a l y z e d ，t h u sd e t e r m i n e dt h es e n s o r sg e n e r a ll i n e a rm e a s u r e m e n ts c o p e t h ep h a s es e n s i t i v ec i r c u i th a sb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da st h es e n s o r s m e a s u r i n gc i r c u i t ，e a c hm a i np a r to ft h em e a s u r i n gc i r c u i th a sb e e ns i m u l a t e dw i t h p s p i c e ，t h u sh a sc o n f i r m e dt h ec o r r e c t n e s s o ft h ep r i n c i p l e ，a n dc a r r i e do u tt h e o p t i m i z ed e s i g no ft h ec i r c u i t sp a r a m e t e r t h es t a t i cc a l i b r a t i o nf o rt h ed i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e rs e n s o rh a sb e e nc a r r i e do u t t h er e s u l t so ft h es t u d yo ns t a t i c s t a t e i n d i c a t e st h a t m ed e v e l o p e ds e n s o rt a k e so nw i d el i n e a r i t yr a n g e ，g o o dl i n e a r i t y , h i g h s e n s i t i v i t y , i ti ss u i t a b l ef o rt h em a g n e t i cb e a r i n g sc o n t r o ls y s t e m o no n eh a n d t h ew o r kd o n ei nt h i sp a p e rp r o v i d e sas p e c i a lp o s i t i o ns e n s o rf o r i i t h em a g n e t i cb e a r i n gc o n t r o ls y s t e m ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tf o u n d ss o m ec e r t a i n t h e o r i t e c a lf o u n d a t i o nf o rt h es e l fi n d u c t a n c et y p e ( n o n s e n s o rt y p e ) m a g n e t i c b e a t i n g k e yw o r d s ：m a g n e t i cb e a r i n g ，d i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r , i n d u c t i v es e n s o r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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了谢意。 研究生( 签名) ：王鸯硷日期墅盟。：f 。 学位论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：王盔趁：导师签名： 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 磁力轴承的研究现状 磁力轴承是利用磁力将转子无机械摩擦、稳定地悬浮在空间的一种高性能 轴承。和传统轴承相比，磁力轴承拥有诸多优点【lj 。在机械方面，磁力轴承的优 点表现为：可以达到较高的转速，摩擦功耗较小，寿命长、可靠性高，无需润 滑，环境适应性好，线速度高；在控制方面，磁力轴承的优点表现为：可对转 子位置进行控制，刚度阻尼可控，可测试、可诊断、可在线工况监测。 正因为磁力轴承具有以上特点，在工业、国防、航空、航天等领域有着非 常广泛的应用前景。纵观国内外发展状况，磁力轴承目前还处于研究开发阶段， 其应用多半是实验性的，未形成批量生产，也未商品化。目前应用较多的有以 下三个方面【2 】： 1 ) 高速主轴中的应用磁力轴承应用在高速主轴上可获得1 0 0 0 0 0 r p m 的转 速，一方面可提高表面加工效果，另一方面它的使用寿命远大于传统轴承口3 。 2 ) 泵类中的应用磁力轴承用于人工心脏泵，解决了心脏泵中的润滑、磨 损和血栓等问题，为实现永久性全人工心脏移植奠定了基础【4 j 。 3 ) 空间技术中的应用在高( 低) 温及真空环境下，传统机械轴承由于需要 润滑且易受环境影响，相比之下，磁力轴承更能满足环境要求i 5 j 。 1 2 磁力轴承的结构 磁力轴承系统按工作原理可分为三类： 1 ) 主动磁力轴承( a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g ) ，利用可控电磁力将转轴悬浮起 来，它主要由转子、电磁铁、传感器、控制器和功率放大器等组成。 2 ) 被动磁力轴承( p a s s i v em a g n e t i cb e a r i n g ) ，利用磁场本身的特性将转轴悬 浮起来。 3 ) 混合磁力轴承( h y b r i dm a g n e t i cb e a r i n g ) ，在主动磁力轴承、被动磁力轴 承以及其他一些辅助支承和稳定结构基础上形成的一种组合式磁力轴承系统， 它兼顾了主动磁力轴承和被动磁力轴承的综合特剧1 1 。 在三类磁力轴承中，被动磁力轴承刚度小、阻尼差，主要应用于仪器仪表， 武汉理工大学硕士学位论文 无法应用于大负载、高刚度的主轴部件，相比之下，主动磁力轴承具有转子位 置、轴承刚度和阻尼可控等优点，得到了最为广泛的应用。本文所研究的磁力 轴承就是主动磁力轴承。 主动磁力轴承主要由机械系统、位移检测系统、控制器及功率放大器几部 分组成。其机械结构原理如图1 1 所示。 l 前端小端盖；2 磁力轴承中转子；3 前端保护轴承；蝴端传感器支架； 5 前端大端盖；旺前轴承铁芯；7 - 前轴承线圈，卜主轴支架；卜轴向磁力 轴承推力盘；1 轴向磁力轴承线圈；1 1 一轴向磁力轴承铁芯；1 2 一电机定子； 1 3 一后轴承铁芯；1 仁后轴承线圈；1 5 一后端传感器支架；1 仁后端保护轴承 图1 1 磁力轴承机械结构图 磁悬浮转子是一个五自由度控制系统，由前端径向轴承控制上下和左右两 个自由度，后端径向轴承控制上下和左右两个自由度，轴向轴承控制轴向移动。 磁力轴承单自由度控制原理图如图1 2 。 图1 - 2 磁力轴承控制原理图 2 武汉理工大学硕十学位论文 磁力轴承位置控制系统是个双反馈的负反馈调节系统。其工作过程如下： 首先给系统输入一个参考信号，使转子悬浮在平衡位置，当转子受n ； i - 界干扰 而偏离平衡位置时，位移传感器就检测到转子的偏移量，经过处理后，把偏移 信号反馈给控制器，控制器经过一定的控制算法产生控制信号，然后通过功率 放大器产生控制电流给定子电磁铁，电磁铁产生相应的磁力维持转子的平衡和 稳定。为消除硬件电路误差，在功率放大器和电磁铁之间引入p i 控制，以保证 实际加载电磁铁两端的电流与理论计算值相符。 在磁力轴承中，传感器检测的转子位移信号是控制器对轴承进行主动控制 的依据，位移传感器是磁力轴承位置控制系统中的反馈环节，是联系输入与输 出的纽带，因而是整个系统研究的重点和难点之一【6 j 。 1 3 磁力轴承控制系统对传感器性能的要求 磁力轴承是个复杂的系统，在其控制系统中，位移传感器所要达到的目标 就是：能真实地反映出转子中心的位移变化，具体来说，系统对位移传感器的 要求有i7 1 ： 1 ) 能实现非接触测量磁力轴承位移传感器检测的是转子表面与定子表面 之间动态气隙的大小，必须使用非接触式的传感器。 2 ) 合适的测量范围对磁力轴承来说，气隙越大转子的刚度及承载力愈小， 为提高磁力轴承的性能和承载能力，轴承和旋转轴之间的气隙应尽可能小，所 采用的传感器的测量范围也在此范围内。 3 ) 极高的灵敏度、线性度和分辨率由于磁力轴承定子和转子之间气隙变 化很小，为了达到精确测量和控制，就需要传感器有极高的灵敏度、线性度和 分辨率，这样转子位置的微小变化都能精确检测到。 4 ) 良好的温度稳定性磁悬浮转子工作过程中有部分电能转化为热量，其 高转速的工作特性也会引起空气的涡流，引起温升，因此，传感器要有良好的 温度稳定性。 5 ) 良好的动态响应磁力轴承的工作转速非常高，对其控制要有实时性， 作为控制依据的转子位移检测也要有实时性，这就要求传感器必须有足够快的 动态响应。 6 ) 抗干扰能力强磁力轴承工作时必然会引起周围磁场的变化，电磁干扰 3 武汉理工大学硕士学位论文 不可避免，这就要求传感器要有较高的抗干扰能力，尽量消除电磁干扰的影响。 另外，对于磁力轴承产业化来说，位移检测传感器还要体积小，成本低， 结构和制作工艺简单。 1 4 磁力轴承中位移传感器的应用与发展趋势 1 4 1 目前采用的传感器及发展现状 能够实现物体位移无接触测量的方法有很多，从原理上来讲，可以用于磁 悬浮系统中的传感器主要有：电涡流式传感器、电感式传感器、霍尔传感器、 电容式传感器、激光传感器等，但是后两种传感器由于安装结构上的特殊，主 要用于磁悬浮硬盘驱动器等片状结构中，在磁力轴承控制系统来说，前两种位 移传感器最适用1 8 l 。 国内外在磁力轴承系统中主要使用的是电涡流位移传感器，采用电感式传 感器的情况比较少见。也有相关文献介绍了电感式位移传感器在磁力轴承中的 应用。文献 9 】介绍了一种用于1 0 m w 高温气冷核反应堆的电感式位移传感器， 该系统中涡轮及发电机轴的最高转速为1 5 0 0 0 r m i n ，转子质量1 0 0 0 k g ，长达 3 5 m ，信号传输线长达1 0 0 m 而不发生明显衰减，该传感器频率范围较小，在 2 5 0 h z 以内，体积较大。文献 1 0 】介绍了一种小型主动控制的电磁轴承的设计中， 采用了电感式位移传感器差动式组合的方式对磁力轴承的径向位移进行测量， 由于这种结构对信号的差动处理是在信号的后续处理过程中进行的，系统误差 相对于差动变压器式传感器较大。文献 1 1 1 设计了一种应用于磁力轴承的差动变 压器式位移传感器，所设计的传感器的测量范围0 5 m m - - l m m 时，线性度为 士1 8 6 ，灵敏度为2 2 7 6 m v g m ，截止频率在8 0 0 h z 左右，其静态悬浮实验显 示其静态位移峰峰值为1 0 9 m ，该传感器的特性不太理想，有待于进一步完善。 1 4 2 磁力轴承中采用的各类传感器分析 1 ) 霍尔传感器 霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它包括 霍尔传感器、磁阻传感器和磁敏二极管等，在磁力轴承中，霍尔传感器是应用 较为广泛的一种。 4 武汉理工大学硕士学位论文 i ( a ) 外形结构示意图( b ) 基本测量电路 图1 3 霍尔传感器工作原理 其工作原理如图1 3 所示，图1 - 3 ( a ) q b ，矩形薄片半导体处于磁感应强度为 b 的磁场中，从其基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1 1 电极用于加控制电流，称为控制电极。另一对2 2 电极用于引出霍尔电势，称 霍尔电势输出极。当l 一17 有电流i 通过时，在2 - 2 中会产生霍尔电压，即霍尔 效应。所产生的霍尔电压： u h 2 k i b ( 1 一1 ) 式中k _ 元件的霍尔灵敏度。 当输入电流恒定，而磁感应强度随位移发生变化时，输出的霍尔电压就只 取决于位置，这样可对微小位移进行测量。 霍尔传感器结构牢固，体积小，重量轻，功耗小，灵敏度高，频响范围宽， 耐震动，抗腐蚀能力强，但是它的精度和线性度较差，响应时间较慢，温度漂 移较大【1 2 】。 2 ) 电容式传感器 电容传感器是利用电容的改变来反映被测机械量变化的传感器【1 3 】。以典型 的平行极板传感器为例，其原理图如图1 4 。 图1 4 电容式传感器原理图 在极板的几何尺寸远大于极板间距离和极板间介质均匀的条件下，其电容： 5 武汉理工大学硕士学位论文 c ：堕 z 式中a 一极板之间的有效覆盖面积( m 2 ) ； x 一极板间的距离( m ) ； r 极板间介质的介电常数。 当x 发生变化时，其电容值会相应改变， 移等机械量的测量。 ( 1 - 2 ) 基于此，电容传感器可以用于位 与其他类型的非接触位移传感器相比，电容传感器具有如下优点：对所有 金属灵敏度和线性相同，高的温度稳定性，悬浮体可以采用绝缘材料。但是， 在磁悬浮的实际应用中，电容传感器也存在以下缺点：测量间隙中介质变化将 引起灵敏度变化，因此对环境要求较严格，而且受到空间限制，电容极板面积 一般很小，所以电容量小，阻抗很高，这就给测量电路带来一定的困难。 3 ) 激光位移传感器 激光传感器( 1 a s e rt r a n s d u c e r ) 是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光 器、激光检测器和测量电路组成。激光三角法位移测量的原理是，用一束激光 以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进 行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度 也不同，用c c d 光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度， 从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时， 测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移【l4 1 。 出 图1 5 激光三角反射位移传感器工作原理示意图 6 武汉理工大学硕士学位论文 激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度 快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光三角反射位移传感器可对 几乎所有材料的被测物体进行点式位移测量，且标准安装距离较大。但是，激 光传感器由于测量时要利用被测面的光反射作用，因此悬浮体反射面的色泽、 材料、粗糙度、光学性质和几何特性等都会对测量精度产生不同程度的影响， 由于空气中的尘埃颗粒会对光线产生散射作用，从而影响到光敏元件对光强的 检测，因此，在光线通过路径上需要有干净的环境；由于需要激光光源、光学器件 及光敏元件，因此，传感器的尺寸较大。 4 ) 电涡流式传感器 电涡流式传感器是根据电涡流效应制成的传感器。按照电涡流在导体内的 贯穿情况，电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工 作原理上来说仍是相似的。图1 - 6 为电涡流式传感器的原理图，该图由传感器线 圈和被测导体组成线圈一导体系统【”l 。 图1 - 6 电涡流式传感器示意图 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作 切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以 上现象称为电涡流效应。电涡流效应既与被测体的电阻率p 、磁导率p 以及几何 形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间 的距离x 有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗z 的函数关系式 为： z = w ( p ，p ，r ，f ，x )( 1 - 3 ) 式中：r 线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数x ，传感器线圈阻抗 7 武汉理 二大学硕+ 学位论文 z 就仅仅是距离x 的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗z 的变化 量，即可实现对该参数的测量。 电涡流传感器作为无接触测量的传感器，具有结构简单、适用性强，不受 油污等介质的影响等优点，但是，电涡流式传感器存在一系列缺点： ( 1 ) 从原理上讲，电涡流传感器是靠探头线圈和被测导体之间的高频电磁相 互作用而工作的，因而它在磁力轴承中容易受到磁场干扰。 ( 2 ) 电涡流传感器反映的是金属表面的移动情况，当转子转动的时候不可避 免地会存在一定的偏心，此时传感器检测到的信号反映的是金属表面的涡动情 况，因此电涡流传感器应用在在磁力轴承的动态检测方面时误差将会变大。 ( 3 ) 由于电涡流传感器的测量信号在传输过程中，衰减很大，传输线缆不宜 过长。 ( 4 ) 如果电涡流传感器采用差动检测的方式来提高精度，需要采用1 0 个电 涡流传感器，系统成本将会增加，而且结构变得复杂，其安装方式所带来的机 械误差更大【1 6 】。 5 ) 电感式传感器 电感式位移传感器是在电磁感应原理的基础上，利用电感元件把被测位移 量的变化转化成电感的自感系数l 或者互感系数m 的变化，再由测量电路转换 成电压或电流信号。电感电感式传感器按工作原理可分为自感式、互感式和电 涡流式三种，无论采用哪一种电感式位移传感器，其检测的原理是：把输入的 物理量( 位移) 转换为线圈的自感系数l 或互感系数m 的变化，而l 或m 的变化 在电路中又转换成电压或电流的变化，即实现非电量到电量的转换。 电感式传感器具有以下特点旧： ( 1 ) 抗干扰能力强电感式传感器的原理是：位移的变化引起线圈电感的变 化，从而引起输出信号的变化，由于输出信号是高频信号，不易受到外界低频 干扰信号的影响。 ( 2 ) 输出功率大电感式传感器检测到的位移信号与高频载波叠加，其功率 较大，传输距离较长。 ( 3 ) 结构简单无活动触点，因此其安装方便，使用寿命长。 ( 4 ) 灵敏度和分辨率高 电感式位移传感器能检测到o 0 1g m 的位移变化， 并且输出信号强，电压灵敏度每毫米可达数百毫伏的输出。 ( 5 ) 线性度和重复性好电感式位移传感器在一定范围( 几十微米至几毫米) 8 武汉理工大学硕士学位论文 内，非线性误差可达0 0 5 删1 ，并且稳定性良好。 ( 6 ) 频率响应较低但在磁力轴承几万转的工作状态下输出所受到的影响 不大。此外，电感位移传感器具有无磨损、无重复误差、信号输入与输出电路 相互隔离等许多实用性的优点。 比较以上各类传感器的特点，霍尔传感器精度和线性度较差，电容传感器 由于安装结构复杂，激光传感器对环境的要求较高【1 剐，均不利于设计高速磁悬 浮主轴，而电涡流传感器抗干扰能力不强，信号在传输过程中，衰减很大，而 电感式传感器可以克服电涡流式传感器的上述缺点，而且灵敏度和线性度基本 上可以满足磁力轴承的使用要求。文献【1 9 】对电涡流传感器和电感传感器进行了 对比实验。实验表明，电涡流传感器的线性范围比电感传感器大，但电感传感 器的线性范围已经能够满足磁力轴承位移测量的要求，而且电感传感器在小位 移( 1 m m ) p l j 其灵敏度高于电涡流传感器。对于本课题所要研究的磁力轴承，需要 设计高转速( 6 0 0 0 0 m i n 以上) 、体积小、动态性能较好的磁力轴承，因此，相比 于电涡流式传感器，电感式位移传感器更适用于本课题研究。 1 5 本课题的意义 本文结合磁力轴承课题研究需要，研究磁力轴承中差动变压器式位移传感 器应用。针对现今采用的电涡流传感器的不足之处，设计差动式电感传感器， 从而改善磁力轴承控制系统的控制特性，并为无传感器磁力轴承的设计奠定基 础。 具体而言，设计应用于磁力轴承的差动式电感传感器，可从以下五个方面 改善磁力轴承控制系统的性能： 1 ) 利用小气隙的电感传感器电感量大的特点，提高传感器的抗干扰能力。 2 ) 鉴于电感传感器的安装方式不同于电涡流传感器，前者的铁芯可以整体 加工，支架的加工方式较简单，有利于提高机械加工的精度。 3 ) 传感器对位移的检测采用差动式电路，可以有效地抑制共模信号，减小 系统误差。 4 ) 克服电涡流式传感器测量电路中信号衰减较快的缺点，适当延长线缆长 度，以满足磁力轴承实际工作要求。 5 ) 在小范围内( 士0 1 5 r a m ) 改善磁力轴承控制系统的位移检测传感器的灵敏 9 武汉理工大学硕士学位论文 度、线性度，从磊提离系统的控制精度。 1 6 论文工作及安排 1 6 1 主要工 乍 在进行电感式传感器的设计过程中，主要进行以下工作： 1 ) 建立电感式位移传感器的数学模型，确定被感应物体的位移与感应线圈 电感及感应电动势之间的数学关系。 2 ) 传感器的参数设计和传感器探头及其在磁力轴承中的安装结构设计。 3 ) 传感器激励源及信号调理电路的设计与制作，信号调理包括信号的检波、 放大、滤波等环节，电路设计包括元器 牛的选取及电路原理的仿真意实验调试。 4 ) 对于传感器的标定及调试，包括标定装罨的设计及传感器的量程、线性 度、灵敏度、静态误差的测定。 1 6 ，2 论文内容安排 第2 章分析电感式位移传感器的理论，建立磁力轴承电感式位移传感器的 数学模型。 第3 章进行传感器主要参数设计，进行传感器探头的结构设计、分析。 第4 章进行测量方案的选取，测量电路的设计，运用仿真软件进行传感器 的电路仿真，对已设计的参数进行验证并修改。 第5 章传感器制作及性能测试。 第6 章对本文所完成的工作及存在的问题、后续工作进行详细安排。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电感位移传感器的基本理论 2 1 电感位移传感器概述 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感 量变化的一种装置，它常用来测量位移，凡是能够转变成位移的参数都可进行 检测，例如力、压力、振动、尺寸、转速、计数测量和零件裂纹等缺陷的无损 探伤等。电感型传感器可分为自感型、互感型两种1 2 0 】【2 1 1 。 2 1 1 自感式传感器 自感式传感器有变隙式、变面积式和螺线管式三种。 ( a ) 气隙型 2 3 3 ( b ) 截面型( c ) 螺管型 l 一线圈，2 铁芯，3 一衔铁 图2 1 自感式传感器的结构 变气隙式是利用线圈自感的变化来实现非电量电测的一种装置。其结构如 图2 1 ( a ) 所示，由线圈、铁芯、衔铁等组成。工作原理：传感器工作时，衔铁与 被测体连接。当被测体产生士6 的位移时，衔铁与其同步移动，引起磁路中气隙 的磁阻发生相应的变化。从而导致线圈电感的变化。只要测出这种电感量的变 化，就能确定衔铁( 被测体) 位移量的大小和方向。变面积式传感器的结构如图 2 1 ( b ) 所示。其工作原理：传感器工作时，衔铁与被测钢性连接。保持气隙厚度 6 0 为常数，则l = s s ) ，当衔铁产生士x 的位移时，衔铁与铁芯之间相对覆盖面积 随之变化，引起磁路中气隙的磁阻发生相应的变化，从而导致线圈的电感发生 变化。当线圈匝数n 确定，若保持气隙厚度6 为常数，l 是面积s 的函数。即： 商甲 武汉理工大学硕士学位论文 工；百n 2 u o s ( 2 1 ) 2 6 2 、。 得：l 与s 成正比，输入与输出呈线性关系。 灵敏度： k ：丝；堕 峦 2 6 0 变气隙式电感传感器的线性区较小，灵敏度较低，不太用。 螺线管式传感器的结构如图2 1 ( 0 所示，主要由螺线管线圈和衔铁组成。其 工作原理：传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管线圈电 感量的变化。一般情况( l 蝴，被测体与衔铁钢性连接。当衔铁处于螺线管中间 位置时，可以认为线圈内磁场强度均匀，此时，空心线圈( 铁芯插入长度x = o ) 的电感为： k = 譬= 掣 仁2 ， 其中：一气隙磁导率；a 一线圈内孔截面积；w 一线圈匝数；d - 线圈内 半径：卜线圈长度。 2 1 2 互感式传感器 互感式传感器的原理是把被测位移量转化为线圈间的互感变化。传感器本 身相当于一个变压器，当一次线圈接入电源后，二次线圈就产生感应电动势。 当互感变化时，感应电动势也相应变化。由于传感器常做成差动的形式，故称 为差动变压器式传感器。 3 1 线圈，2 一铁芯，3 一衔铁 图2 2 互感式位移传感器 差动变压器的结构原理如图2 2 所示。在线框上绕有组输入线圈( 称一次 线圈) ；在同一线框上另绕组完全对称的线圈( 称二次线圈) ，它们反向串联组 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 成差动输出形式。 差动变压器式电感式位移传感器的原理是把被测位移的变化转换为线圈自 感的变化( l ) ，它是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式 连接，故称差动变压器式传感器。如图2 3 所示，上下两铁芯上分别有一个初级 线圈( 匝数均为n 1 ) 和一个次级线圈( 匝数均为n 2 ) ，一般取n l n 2 一n ，n 为固定 匝数。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源u i n ，两个次级线圈则按感应电 势反相串联，引出输出信号u 。m 。 图2 3 差动变压器式传感器原理 甲一线圈总磁链( m ) ； 卜通过线圈的电流c a ) ： e 2 l ，e 2 2 一次级线圈中的感应电势( v ) 。 从电磁感应的角度来分析，当衔铁处于中间位置时，6 】- 6 2 ，励磁线圈中产 生交变磁通、i ，l l 和、i ，1 2 ，在输出线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相等， 磁阻相等，所以，、i ，l l = 、l ，1 2 ，输出线圈中感应出的电势e 2 l = e 2 2 ，由于次级线圈是 按电势反向连接的，输出电压u o m = 0 。当轴偏离中间位置时，两边气隙不等( 即 6 l 6 2 ) ，输出线圈中感应的电势不再相等( 即e 2 l # e 2 2 ) ，便有电压u o 。输出。u o m 的大小及相位取决于轴的位移大小和方向。 1 3 武汉理t 大学硕+ 学位论文 2 2 差动式电感位移传感器的输入、输出特性 差动变压器式传感器等效电路如图2 4 。 u h 图2 - 4 传感器等效电路 m 广一上铁芯中，初级线圈与次级线圈之间的互感系数； m 2 一下铁芯中，初级线圈与次级线圈之间的互感系数。 当衔铁处于初始位置时，初始电感量为： l 。：n l a o s o( 2 3 ) 。 2 6 0 n 一线圈的匝数； 一空气磁导率，1 t o = 4 兀x1 0 。7 n a 2 ； 阿一铁芯截面积( m 2 ) ； 6 0 _ 空气隙的厚度( m ) 。 对于初级线圈，当衔铁向上移动6 时，两个线圈的电感发生变化，设电感 变化量分别为l l l 、l 1 2 ： 三。= 三。等 ，+ 等+ ( 等 2 + ( 等 3 + a l ，1 2 = l o 等 - 一等+ ( 等) 2 一( 等 3 + 总电感变化量为l ： 1 4 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 武汉理工大学硕七学位论文 虬2 必1 + 鸽2 = 2 厶等i + ( 等) 2 + ( 等) 4 + 2 6 ) 上式中，忽略高次项，得： 址：2 l 。_ a 6 ( 2 - 7 ) 因此，当铁芯发生位移6 时，在初级线圈引起的总电感变化量l 与6 成正比，线圈电感量的变化引起初级线圈中电流的变化。 初级线圈的感抗为： z i i2 墨l + j 6 0 l 1 1 ( 2 - 8 ) 么1 22r 1 2 + j o l i 2 而上下铁芯上的初级线圈是对称的，设r l l = r 2 2 - - r ，则初级线圈中流过的电 流为： j ：一l ：丝一 ( 2 9 ) 1 2 r + j c o ( l l l + 厶2 )2 r + 2 j c o ( l o + 三) 、7 而对于上下铁芯上的次级线圈，其感应电势分别为： e n 2 一j 翻m 、j 、( 2 - 1 0 ) e 2 2 = 一j c o m 2 1 1 式中，m l ，m 2 为初级与次级之间的互感系数： m ：n ：o i 1 11 m ，：丝生 、 l 结合式( 2 - 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 得，次级输出电压u o u t 为两个线圈感应电势之差： u 叫= e 2 1 一e 2 2 = 一j o c ) ( m l m 2 ) ，l ( 2 一1 2 ) = 一j o o ( n 2 中l n 2 中2 ) 其中，0 1 ，西2 分别为次级线圈上下两个磁系统中的磁通。 以：盟一盟一 尺6 l 6 。一6 ( 2 1 3 ) 小等= 希 一 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 2 ) 得： 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 吒叫新1 n i n 2 p o s ( 播) ( 2 - 1 4 ) 由于6 0 必6 ，忽略a 8 2 ，整理： 啦埘。鲁等c 学卜心鲁等弘 1 ) 如果采用恒流源，输入端电流1 1 是确定值，不随传感器初级线圈电感量 的变化而变化： u 刎= 一越0 1 1 瓦n 2 百2 a 6 ( 2 16 ) 2 ) 如果采用恒压源： 把式( 2 - 9 ) 代入式( 2 - 15 ) 得： u 砌= 一础。瓦n 2 百2 a 3 瓦丽u 面, 面 ( 2 1 7 ) 当( i ) r 时，u 伽t 可近似简化为： 岈一等等d 。 ( 2 1 8 ) 为使结构对称，一般取n l _ n 2 ，则感应线圈的电压输出量： u 伽：一竽比 ( 2 1 9 ) 0 0 由此可以得出结论：在其他条件一定的情况下，差动变压器式电感位移传 感器的输出与位移近似成正比关系。 普通差动变压器式位移传感器的输出输入特性曲线如图2 5 。 1 一理想特性；2 一实际特性 图2 5 差动变压器输出特性 1 6 x 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 差动式电感位移传感器的特性 传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感 器的特性分为两种：静态特性和动态特性。 2 3 1 静态特性 传感器的静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下，输入一输 出的关系，简而言之，就是传感器的输入不随时间而变化的特性。传感器静态 特性的主要指标有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性 竺【2 2 】 寸o 1 ) 线性度通常，实际的输出与输入特性对比理论直线有偏差，实际曲线 与其两个端点连线( 称为理论直线) 之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中 最大值与输出满度值之比作为评价线性度( 或非线性误差) 的指标： v l 吐m 戤y m 10 0 式中，v 广线性度( 非线性误差) ； m 戤- 一最大非线性绝对误差； y m - 输出满度值。 2 ) 灵敏度传感器在稳态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏 度，用k 表示，即k _ 输出量的变化量输入量的变化量，常用m v 肛m 表示，对 于线性传感器来说，它的灵敏度k 是个常数。 3 ) 迟滞性迟滞性是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次 校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。其数值用最 大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示。 4 ) 重复性传感器的输入量在同一方向( 增加或减少) 变化时，在全量程内 连续进行重复测量所得到的输出一输入特性曲线不一致程度，产生不一致的原 因与产生迟滞现象的原因相同。多次重复测试的曲线越重合，说明该传感器重 复性越好，使用时误差越小。 5 ) 信噪比系统中信号与噪声的比例，信噪比的计量单位是d b ，其计算方 法是1 0 l o g ( p s p n ) ，其中p s 和p n 分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换 算成电压幅值的比率关系：2 0 l o g ( v s v n ) ，v s 和v n 分别代表信号和噪声电压 的有效值。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) 分辨率分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。用满 量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指 标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。 7 ) 频率响应范围传感器的频率响应范围是指传感器的增益随频率的变化 不大于3 一5 的频率范围。线性频率响应，亦即灵敏度不受频率的影响，这在 磁力轴承应用中是必要的。灵敏度下降3 d b 时的频率通常称为截止频率。传感 器的频带宽度越宽，其动态性能越好。 8 ) 温漂、零漂和时漂使磁力轴承能够在较宽的温度范围内长期稳定地工 作。 由于磁力轴承定子线圈通电的原因，转子温度变化明显、电磁干扰不可避 免，故要求位移传感器能够适应较大的温度范围，抗电磁交变的噪声干扰强。 2 3 2 动态特性 动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入 之间的关系。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信 号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出 信号也随时间变化，这个过程称为响应。动态特性就是指传感器对于随时间变 化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小， 而且还能复现被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。 传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关，在研究传感器动态 特性时，通常是根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应的。实际传感 器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的，最常用的标准输入信号有阶 跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来 表示。 对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，它是指传感 器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。而对于正弦输入信号，则称为频率 响应或稳态响应。它是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。 稳态响应的重要性，在于工程上所遇到的各种非电信号的变化曲线都可以展开 成傅里叶( f o u r i e r ) 级数或进行傅里叶变换，即可以用一系列正弦曲线的叠加来表 示原曲线。因此，当已知道传感器对正弦信号的响应特性后，也就可以判断它 对各种复杂变化曲线的响应了。 18 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了电感位移传感器的分类，及各类电感传感器的原理和优缺 点，详细介绍了本文设计的目标一差动变压器式电感位移传感器，建立了差动 变压器式电感位移传感器的数学模型，并对其工作原理进行了详细的分析，对 其工作特性指标进行了详细介绍，为传感器的设计奠定理论基础。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章磁力轴承中电感传感器的结构设计 3