電渦流傳感器在磁懸浮中的應用

電渦流傳感器在磁懸浮中的應用

0檢測裝置及原理磁浮運動是利用電磁力穩(wěn)定物體在空間中的懸掛，并以固定軸為基準進行直線運動或收回運動。由于磁懸浮實現(xiàn)了動子和定子之間的非機械接觸,因而具有無磨損、運動速度(沿基準軸的直線運動速度或回轉轉速)高、不需潤滑等優(yōu)點。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮,通常采用兩種方法:一是不斷地測量物體的位置,當物體相對于給定位置發(fā)生偏移時,通過伺服控制裝置改變電磁場,使物體回到給定位置;二是改變激磁電路的參數(shù),通過自身調諧實現(xiàn)自動穩(wěn)定。采用第一種方法的稱為有源磁懸浮,基于第二種方法的稱為無源磁懸浮。與無源磁懸浮相比,有源磁懸浮大大提高了剛度和響應速度,同時也減少了能量的消耗。1位置傳感器的分類和性能由于磁懸浮具有非接觸的特點,因此在有源磁懸浮的研究和應用中,采用的大多是電感、電容、光敏、磁敏和聲波等非接觸式位移傳感器。1.1機械量轉換轉換電感式傳感器是利用電磁感應原理將機械量轉換為電感量進行測量的一類傳感器。在有源磁懸浮研究中,采用的多是電渦流傳感器和小氣隙電感傳感器。1.1.1電渦流傳感器的基本原理電渦流傳感器是利用通電線圈與金屬導體之間的渦流互感效應進行距離檢測的一種常用傳感器。工作原理:將線圈置于一金屬導體附近,當線圈中通過高頻交變電流時,產生的高頻交變磁場會在金屬導體中感應出電流,即電渦流。這種在金屬導體內閉合的電流也會產生交變磁場,反過來影響線圈磁場,使線圈的等效阻抗發(fā)生變化。等效電路如圖1所示。其中R1、L1為線圈本身的電阻和電感,R2、L2為電渦流產生時的等效參數(shù),M為線圈與導體之間的互感,x為線圈與導體之間的距離。根據等效電路模型可以求得電渦流對線圈等效阻抗的影響:從上式可看出,當線圈和導體的物理屬性及形狀保持不變時,電渦流引起的阻抗變化就只與表征距離的互感M有關。因此,電渦流傳感器可用于位移、振動、轉速和厚度等機械量的測量。與其他類型的傳感器相比,電渦流傳感器具有如下優(yōu)點:a.可以用于所有導電材料,包括鐵磁性材料和非鐵磁性材料。b.小巧的傳感器結構。電渦流傳感器的探測線圈屬于高頻小線圈,結構比較簡單,一般為蜂房式或疊繞式多層空心圓柱形,其體積和重量也因沒有鐵芯而顯著降低。c.對于測量間隙中存在的污塵、潮濕、油和介質材料不敏感。d.對周圍電磁場有抗干擾能力。e.較寬的溫度使用范圍。f.高的測量精度和頻率響應特性。這種傳感器在有源磁懸浮實際應用中,也存在如下缺點:a.輸出信號和線性度與懸浮體電磁特性有關。b.存在理論上的非線性,需要進行專門的線性化和校準。c.需要有頻率高的振蕩源,且傳感器的電纜長度被限制在10m以下。d.傳感器直徑隨著測量范圍增大而增大,在懸浮體上產生的有效作用面積也增大。1.1.2域內放電的測量利用鐵芯和氣隙構成集中的磁路,如圖2所示。磁路的磁阻為鐵芯磁阻和氣隙磁阻之和,故有:當線圈中通過激勵電流時,其等效電感為:式中x——每段氣隙的長度A——氣隙有效截面積N——激勵線圈匝數(shù)lM——鐵芯平均長度μ0——空氣磁導率μr——鐵芯的相對磁導率當x變化時,線路電感會發(fā)生相應變化。在采用恒電壓源激勵時,就可以得到與位移變化成正比的電流信號。因此,具有小氣隙的電感傳感器也常用于微小位移等的測量。在有源磁懸浮特別是轉子磁懸浮的位置測量中,為提高測量的線性度和精度,通常采用的是2個傳感器的差動式結構形式,即差動電感傳感器和圖3所示的差動變壓器傳感器。1.2不同覆蓋面積x與電感傳感器類似,電容傳感器是利用電容的改變來反映被測機械量變化的傳感器。以典型的平行極板傳感器為例,在其極板的幾何尺寸遠大于極板間距離和極板間介質均勻的條件下,其電容:式中A——極板之間的有效覆蓋面積x——極板間的距離ε——極板間介質的介電常數(shù)當x發(fā)生變化時,其電容值會相應改變。基于此,電容傳感器可以用于位移等機械量的測量。與其他類型的非接觸位移傳感器相比,電容傳感器具有如下優(yōu)點:a.當懸浮體是金屬時,與材料特性無關,也就是說,對所有金屬靈敏度和線性相同。b.高的溫度穩(wěn)定性,因為與溫度有關的導電性能變化不會影響傳感器性能。c.懸浮體可以采用絕緣材料。在磁懸浮的實際應用中,電容傳感器也存在以下缺點:a.測量間隙中介質變化將引起靈敏度變化,因此只適合干凈和干燥工作環(huán)境。b.較短的傳感器電纜。c.傳感器直徑和由此引起的懸浮體有效面積,隨著測量范圍增大而增大。1.3懸浮體傳感器存在的問題基于光電器件和光線理論的光敏傳感器是當前發(fā)展迅速的一類新型傳感器,并已廣泛應用于位移等機械量的測量。光敏傳感器應用于懸浮體位移測量具有如下優(yōu)點:a.較小的懸浮體有效面積。b.較大的測量范圍。c.與懸浮體的材料特性無關。在實際應用中,該類傳感器也存在以下問題:a.由于測量時要利用被測面的光反射作用,因此懸浮體反射面的色澤、材料、粗糙度、光學性質和幾何特性等都會對測量精度產生不同程度的影響。通常采用的解決辦法是對反射面拋光或貼反射膜。b.由于空氣中的塵埃顆粒會對光線產生散射作用,從而影響到光敏元件對光強的檢測,因此,在光線通過路徑上需要有干凈的環(huán)境。c.由于需要激光光源、光學器件及光敏元件,因此,傳感器的尺寸較大。1.4ab方向的霍夫東—磁敏傳感器磁敏傳感器是基于固體材料磁電效應的一類傳感器,包括霍爾傳感器、磁阻傳感器和磁敏二極管等,其中霍爾傳感器是應用較為廣泛的一種。霍爾傳感器是建立在霍爾效應基礎上的,工作原理如圖4所示。特殊材料處于磁感應強度為B的磁場中,當MN方向有電流I通過時,在AB方向會產生霍爾電壓,即霍爾效應。所產生的霍爾電壓:UH=KIB(5)式中K——元件的霍爾靈敏度當輸入電流恒定,而磁感應強度隨位移發(fā)生變化時,輸出的霍爾電壓就只取決于位置,這樣可對微小位移進行測量?；魻柺轿灰苽鞲衅鞯耐怀鰞?yōu)點是靈敏度高、質量輕、反應速度快和頻響范圍寬,適合作動態(tài)位移測量。近20年來,隨著半導體工藝的提高和高性能磁性材料的應用,使霍爾式傳感器的性能得以大幅度地改善。特別是出現(xiàn)了集成霍爾傳感器具有體積小、功耗低、響應快和抗干擾能力強等特點,因而迅速在工業(yè)、通訊、交通及儀器制造等領域廣泛應用?；魻杺鞲衅髟谟性创艖腋≈械膽萌鐖D5所示。將一小型磁鋼(永久磁鐵)粘貼在轉軸等磁懸浮物體上,并在適當?shù)奈恢梅胖眉苫魻杺鞲衅?。當懸浮體垂直于傳感器作前后運動時,根據所測得的霍爾電壓,就可測量出位移x。2侵性器和電容和磁敏傳感器電感、電容、光敏和磁敏等非接觸式位移傳感器均能用于有源磁懸浮的位置測