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轴向磁悬浮轴承用非接触式差动电感位移传感器的实验研究
轴向磁悬浮轴承用非接触式差动电感位移传感器的实验研究 2011年12月04日 来源： 1前言 反馈信号传感器是电磁轴承系统的重要组成部分，其性能直接关系到系统对转子工作位置的控制精度，因而是所有研究者都必须考虑的问题之一。为了与电磁轴承的研究和应用相配合，国外在电磁轴承用传感器方面作了一定的研究，并获得了一些成果［1～6］，我们在开展电磁轴承研究的同时，也对其专用位移传感器进行了探索性研究。电磁轴承系统的特点决定了反馈信号传感器必须是非接触式的。在电磁轴承系统中，可为传感器反馈的信号有许多种，如：位移、速度、电流、电磁力、磁通量等物理量均可作为反馈控制的信号。目前多采用位移传感器，轴向轴承亦可采用速度传感器。由于技术上的原因，大多数研究者采用电涡流位移传感器。电涡流位移传感器的灵敏度和线性度可以满足一般电磁轴承系统的要求，但对于高精度的电磁轴承系统，其灵敏度和线性度等技术指标距离要求有一定的差距；若每自由度采用单个电涡流位移传感器，还会出现由于结构原因而产生的测量误差信号(此内容另文讨论)，使控制精度降低。使用两个电涡流位移传感器差动输出虽然可以克服上述缺陷，但成本会提高，结构更趋于复杂。文献［7］将电涡流传感器和电感式传感器做了对比分析研究，结果表明电感式传感器的灵敏度的信噪比均高于电涡流传感器，线性范围亦可满足电磁轴承系统的要求，特别在结构上可以得到简化。目前，国际上选用基于差动变压器原理的电感式位移传感器［8］，其灵敏度为20mv/μm，使用效果良好，并已形成产品化趋势。事实上，对电磁轴承系统而言，差动式的位移传感器均能符合其实用要求。国内在差动电感位移传感器方面仅限于接触式的［9］，而在非接触式差动电感位移传感器的应用研究和生产方面尚属空白。 本文对轴向磁悬浮轴承系统的结构、系统的稳定性与位移传感器的关系，以及电磁轴承对传感器的基本要求进行了分析讨论，在差动电感式变气隙位移传感器基本工作原理的基础上，提出一种应用于轴向磁力轴承的差动电感式位移传感器的设计的实验方案，并进行了其静特性的实验研究，结果说明此种传感器具有开发应用的前景［10］。 2轴向磁悬浮轴承系统与位移传感器 2.1轴向磁悬浮轴承系统的结构及基本工作原理
图1轴向磁悬浮轴承系统的结构
图1是轴向磁悬浮轴承系统的结构图，图中转子的轴向位置由系统控制器(包括位移传感器、调节器的功率放大器)精密地控制。当转子由于受到外来干扰力或其他原因出现轴向位移时，位移量由位移传感器测出，经位移信号转换电路转换成相应的电压信号ux，与参考信号ur比较后得到差值信号ue，再由调节器进行幅值和相位的校正，得到的信号电压uc被功率放大器和电磁铁转换成相应的电磁力，使转子恢复到设定的位置上。 2.2磁悬浮轴承系统对位移传感器的要求 由结构图可知，电磁轴承系统对位移传感器的首要要求是非接触式的。从理论上看，利用电容、电感、光敏、光栅、霍尔效应、激光、磁阻抗及声波等均可达到此目的［1］。电磁轴承对位移传感器的要求还有：能真实地反映出转子的位置变化；有很高的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力以及精确的重复性，同时也要求有相应的频率响应范围。目前，电磁轴承系统主要应用的电涡流式位移传感器，测量的都是转子表面的移动情况，这只能间接地反映转子中心的位置，当转子转动时，反馈信号中还包含着转子的涡动情况；传感器的安装位置、应用方式对测量结果也有影响，这些影响在径向磁悬浮轴承系统中较为明显(将另文讨论)，这是产生测量误差的主要来源，克服的最佳方式是采用差动联接方式。在电磁轴承系统中应用电涡流传感器还存在信噪比较低的不足，这是其转换电路中的电子元器件的固有噪声所致，要提高信噪比就需提高灵敏度，但这又会使传感器的线性范围受到限制。电涡流传感器的感应磁场很弱，因此周围存在的杂散磁场对其灵敏度会产生很大的影响，同时也会在信号中夹杂干扰磁场的成份。所以，屏蔽措施是非常必要的。另一种应用较广的是差动电感位移传感器。由理论分析可知，小气隙的电感式传感器其电感量一般很大，有很强的抗干扰能力，不需要特别的屏蔽措施，很适合在电磁轴承系统中应用。法国S2M公司就采用了这种类似的传感器，其优点是：结构简单，输出功率大，信噪比高，灵敏度高，测量精度高以及线性度好［8］。 3差动电感位移传感器及实验研究 3.1差动电感位移传感器的基本原理与结构 本文所述的差动电感位移传感器是一种变气隙式电感传感器［12］，图2是其基本原理图。当可动铁心向两边移动时，电感线圈L１和L２的电感量发生变化，在一定的气式位移传感器的结构隙变化范围内，电感量的变化与气隙的变化可成线性关系。将两个电感线圈接成桥式，并采用相敏检波，线性范围还可拓宽，此种传感器最大的优点就是抗干扰能力强，因而很多测微仪均选用这种结构的传感器。在电磁轴承中，可动铁心将由转子代替，当转子的位置发生变化时，两个电感的电感量发生相应的变化，其变化量的差动输出信号可非接触地精确表示转子在该方向上的绝对位移，并能有效地抑制结构误差，提高控制精度。因而国外从事电磁轴承研制的单位和专业公司均推荐或采用了类似这种结构的位移传感器。
图2变气隙差动电感
3.2轴向非接触式差动电感位移传感器的实验研究 我们针对轴向磁悬浮轴承的结构特点，以及变气隙差动电感式位移传感器的基本工作原理，设计了一个轴向非接触式差动电感位移传感器的实验装置(见图3)，用于测量转子的轴向位移，两个测量线圈L１和L２分别置于轴向磁悬浮轴承中的推力盘两侧，这里推力盘既是磁悬浮轴承中的一部分，又是位移传感器中的可动铁心。当推力盘发生(轴向)位移时，L1和L２的电感量就会发生相应的变化。图4是测量电路的原理框图，其中L１、L２、R１和R２构成基本电感电桥，UＥ为桥路激励电源电压。当转子发生轴向位移时，电桥偏离原平衡点，桥路的不平衡输出信号(即位移信号)经同相交流放大器放大后，送入相敏检波电路检波，输出放大器最终将位置信号放大后输出。由于电感式传感器具有输出信号大的特点，因此，测量电路相对于电涡流传感器来说也简单得多。图5是实验测得的二组静态位置输出特性曲线。两条曲线的灵敏度分别为26.5mv/μm和42.0mv/μm，已经超过了目前常用的电流传感器的灵敏度。在测量范围以内线性度良好，能够满足电磁轴承的应用要求。
图3轴向差动电感位移传感器实验装置示意图
图4测量电路原理框图
图5两组静态位置输出特性曲线
4结论 非接触式差动电感位移传感器的实验验证了此类传感器在轴向磁悬浮轴承系统中应用的可行性，同理，这种传感器也可用于径向磁悬浮轴承系统中。由实际测得的传感器静态输出特性曲线可看出，其性能已达到并可超过目前常用的电涡流位移传感器的水平，且抗干扰能力强，灵敏度高，表明此类传感器在电磁轴承的研究和应用方面有着广阔的前景。 由于实验条件的限制，对此类传感器的动态特性分析留待以后进行。(end)