（机械电子工程专业论文）磁悬浮转子系统中涡流传感器工作特性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文摘要磁悬浮轴承由于具有一系列独特的性能，被称为是支承技术的一场革命。在磁悬浮转子系统设计中，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，是整个系统研究的重点和难点之一。本文主要目的是：针对普通涡流位移传感器应用于磁悬浮硬盘、光盘这类微型转子五自由度位移测量时所面临的问题，研究具体工作环境下涡流传感器的工作特性。在介绍涡流位移传感器的基本理论的基础上，分析了传感器探头线性特性、温度特性、动态特性的影响因素。通过对电涡流的具体特性、涡流损耗、以及探头品质因素0 等方面来分析探头线圈的固有特性；从探头线圈参数对传感器线性特性的影响：探头结构参数对涡流传感器线性特性的影响；探头线圈的动态响应特征：检波电路的动态特征：传感器的温度特性的影响：涡流传感器的电磁场等方面分析，提出了影响涡流传感器探头工作特性的主要因素。根据磁悬浮转子系统模型，具体分析了磁悬浮铣削转予系统工作时的环境，模拟系统的磁路分布和磁极线圈对系统磁路的影响，以及转子系统工作下的温度场分御、传感器的布置方式以及测量方式，在理论上提出具体环境下影响涡流传感器工作特性的具体因素。设计磁悬浮转子系统中涡流传感器的温度和磁场下的工作特性的实验，通过具体实验和对试验数据的分析，验证了系统中影响涡流传感器工作特性的环境因素主要是系统的温度和磁场特性，确定了涡流传感器在具体工作环境下测量误差范围，在磁悬浮转予系统设计过程中需要加以考虑。提出了涡流传感器在磁悬浮铣削转子系统中的温度场的差动测量的补偿和直接测量时的补偿；提出补偿思想：根据控制系统的需要以及磁力轴承线圈输入信号特性，引出元素法，根据具体环境因素的设置补偿模块来补偿磁悬浮转子系统的磁场影响。关键词：磁悬浮转子涡流传感器工作特性磁场特性实验补偿武汉理工人学硕i 。学位论文a b s t r a c ta c t i v em a g n e t i cb e a r i n g s ( a m b ) i sc a l l e dat e c h n o l o g yr e v o l u t i o ni nt h eb e a r i n g sf o ral o to fa d v a n t a g e s t h es i g n a lo ft h em a g n e t i cs u s p e n d e ds p i n d l em e a s u r e db yt h ee d d yc u l t e n ts e n s o ri st h eb a s i st oc a r r yo nt h ec o n t r o lt ot h eb e a r i n g ，i so n eo ft h ew h o l ep o i n to ft h es y s t e mr e s e a r c ha n dc l u xi ns y s t e md e s i g np r o c e s s p u r p o s eo ft h i sp a p e ri sa i m i n ga tt h ep r o b l e mo fd i s p l a c e m e n tm e a s u r i n ga b o u th d dr o t o rs u s p e n d e da m ba s af i v ed e g r e eo ff r e e d o ms y s t e m ，r e s e a r c ht h ew o r kc h a r a c t e r i s t i co fe d d yc u r r e n ts e n s o ri nc o n c r e t ew o r ke n v i r o n m e n t t h ep r o b e sl i n e a r i t y ，t e m p e r a t u r ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e db a s eo np r i n c i p a lt h e o r yo fe d d y c u r r e n ts e n s o r ，f r o mt h ec h a r a c t e ro ft h ee d d yc u r r e n t ，l o s so fe d d yc u r r e n ta n dt h ec o i lqv a l u et ot h ep r o b ec h a r a c t e r i s t i c ，a s p e c tt oa n a l y z eo ft h ei n f l u e n c eo ft h ed i a m e t e ro fc o i la n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro fp r o b et ot h el i n e a r i t yc h a r a c t e r i s t i c ，t h ed y n a m i cs t a t eo ft h ec o i lt oc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cs t a t ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e m o d u l a t i o nc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ea n dm a g n e t i s mc h a r a c t e r i s t i co ft h ee d d yc u r r e n t ，p u t t i n gf o r w a r di n f l u e n c e st ow o r kc h a r a c t e r i s t i co ft h ee d d yc u r r e n t c o n c r e t e l ya n a l y z e dt h ee n v i r o n m e n to ft h em a g n e t i cb e a r i n ga c c o r d i n gt ot h es y s t e mm o d e l ，t h em a g n e t i s md i s t r i b u t i o na n dt h ei n f l u e n c eo ft h ep o l ec o i lt ot h em a g n e t i c ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，d i s p o s a lm e t h o da n dm e a s u r i n go fe d d yc u r r e n ts e n s o r sa r es i m u l a t e d ，f i n a l l yp u tf o r w a r dt h ei n f l u e n c et ow o r kc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n c r e t ef a c t o ri nt h ec o n c r e t ee n v i r o n m e n tt h e o r e t i c a l l y d e s i g n e dt h ee x p e r i m e n to ft h ew o r kc h a r a c t e r i s t i co fe d d yc u r r e n ts e n s o r ，p a s s e dac o n c r e t ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i se x p e r i m e n t sad a t a ，v e r i f i e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe d d yc u r r e n tb ys y s t e mt e m p e r a t u r ea n dm a g n e t i s m ，c o n f i r m e dt h ee r r o rm a r g i no ft h em e a s u r i n gs y s t e m ，w h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g np r o c e s s p u tf o r w a r dt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no fd i r e c ta n dd i f f e r sm e a s u r i n g ；a c c o r d i n gt ot h ed e m a n da n dt h em a g n e t i cf o r c eb e a r i n g sc o i li m p o r t a t i o ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o ls y s t e m ，b r i n gi nt h ee l e m e n tm e t h o d ，c o m p e n s a t et h em a g n e t i s mi n f l u e n c eo fc o n c r e t ee n v i r o n m e n tf a c t o rf r o mt h ec o n s t i t u t i o nm o l dp i e c e s k e yw o r k s ：a c t i v em a g n e t i cb e a r i n g s ，e d d y - c u r r e n ts e n s o r ，w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c ，m a g n e t i ce x p e r i m e n t ，c o m p e n s a t i o ni i此页若属实请申请人及导师签名。独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得舸研究成果。据我所知，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纛。研究生签名：番盆辇日期三! ! 生歹关于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：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生签名：蒴a 辛辈导师签名挠乞日期沙6 、fr g注：请将此声明装订在论文的目录前。武汉埋t 大学硕十学位论文第1 章绪论1 1磁悬浮转子系统的研究背景1 1 1 磁悬浮转子磁悬浮技术是利用电磁力将物体悬浮于空间的一项技术。其应用主要分为两大领域：一是将悬浮物体以直线电机进行牵引，使其在特定的轨道上运行，形成磁悬浮列车：另一是将悬浮物体以旋转电机驱动，使其绕特定的轴线旋转，形成磁悬浮转子。在第二种应用领域里，起支承作用的磁悬浮技术与传统的机械系统中的轴承的作用类似，故又将单个支承称之为磁力轴承。磁悬浮轴承是利用磁场力将转子无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间，并且轴心位置可以由控制系统进行控制的一种新型的轴承，是集机械学、力学检测理论、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学等于一体的具有代表性的机电一体化产品，是目前唯一投入实用的可以实现主动控制的支承装置。由于实现了无机械接触和电子控制，磁力轴承与普通轴承相比有以下特点：完全消除了磨损。磁力轴承理论上可获得永久性工作寿命。无需润滑和密封。不用相应的泵、管道、过滤器和密封件，不会因润滑剂而污染环境，特别适用于航空航天产品。耐环境性强。能在极高或极低的温度( - - 2 5 3 + 4 5 0 ) 下工作。发热少、功耗低。仅由磁滞和涡流引起很小的磁损，因而效率高，功耗大约仅为普通轴承的1 1 0 。圆周转速高。轴承转速只受转子材料抗拉强度的限制。可对转子位置进行控制。磁力轴承不同于其它轴承，即使转子不在轴承中心也能支承主轴。转轴可在径向和轴向自由移动。轴承刚度和阻力由控制系统决定，在一定范围内不但可自由设计，而且在运行过程中可控可调，所以轴承动态特性好。轴承可以自动绕惯性主轴旋转，而不是绕支承的轴线转动，因此消除了质量不平衡引起的附加振动。由于磁力轴承具有以上一系列独特的优越性，有着极其重要的商业价值，在工业中有着广泛的应用前景。1 1 2 磁悬浮转子系统磁悬浮的概念实际上在一百多年前就提出来了，但真正技术上实现却是近几武汉理t = 大学顿十学位论文十年的事，这要归功于电子技术、测试技术、机电控制技术的发展。早期对磁悬浮技术的研究主要侧重于无源磁悬浮上，五十年代术到六十年代美国德雷伯实验室在初逐步将他们的研究成果应用到空间制导、导航方面的惯性轮上。六十一年代中期，法国、日本相继投入磁悬浮轴承的研究，并转入主动磁悬浮轴承的研究，取得一定的成就。由于磁悬浮轴承的一系列优良特性，1 9 7 0 年磁悬浮轴承就成功应用在卫星姿态控制的动量飞轮上：1 9 8 4 年法国s 2 m 公司与日本精工电子工业公司共同成立日本磁悬浮轴承公司，在日本主产销售涡轮分子泵及机床磁悬浮轴承主轴等：同年n t n 东洋轴承公司也推出了高速磁悬浮轴承铣削头。1 9 9 3 年英国成功研制成了3 3 卿的磁轴承涡轮扩压机。1 9 9 7 年日本三菱重工试制成功了由精工公司提供磁轴承的氦制冷压缩机。最近几年随着微电子技术和控制理论的进步，磁悬浮轴承的应用又有了很大发展，1 9 9 8 年瑞士联邦理工学院的r v u i l l e m i n 和b a e s c h l i m a n n 等人提出了磁悬浮硬盘驱动器，对磁悬浮硬盘从结构到控制进行了研究。磁悬浮技术的不断的成熟，使其应用前景将更加广阔。图1 卜图1 8 是一些实际的工业产品。图1 1c a l n e t i x 飞轮电池图1 2 军用高速飞轮能量模型( f p o m )图1 3 火车用复合材料飞轮电池图1 4 磁悬浮分子真空泵武汉理工人学硕士学位论文图1 5r e v o l v e 公司磁悬浮转子部件图1 6r e v o l v e 公司磁悬浮转子系统图1 7i b a g 公司磁悬浮铣削主轴部件图1 8 磁悬浮空气压缩机在国内，由于发达国家的技术封锁，磁悬浮轴承的研究开发起步较晚，1 9 8 2年清华大学的张祖明、温诗铸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 ，1 9 8 3 年上海微电机研究所曾研制过用于电动机床上的磁悬浮轴承，但由于径向采用无源悬浮，刚度及承载力很小，不宜在机床中应用。1 9 8 8 年哈尔滨工业大学的胡业发、陈易新等提出了磁力轴承结构优化设计的理论和方法，并建立了主动磁力轴承机床转予控制系统模型。这是国内首次对主动磁力轴承机床转子从结构到控制进行的系统研究。随后，西安交通大学润滑理论及轴承研究所于八十年代初期开始磁轴承研究，对磁悬浮轴承物理模型的降阶和非线性改善作了理论探讨，实现了五自由度悬浮。清华大学工程物理系从事磁悬浮轴承研究，实现了模拟控制器的五自由度悬浮，后又采用数字控制器实现了五自由度稳定悬浮，在电主轴的应用作了初步的探索。总体而言，现阶段国内在磁悬浮轴承的研究上尚处于从理论研究到实际应用的过渡期，研究取得了很大的进展，但是还没有在工业中应用的实例。与此同时，国际上磁悬浮技术却达到了理论研究的高峰。1 9 8 8 年6 月，在瑞士苏黎士召开了第一届国际磁力轴承学术会议。1 。会议就磁力轴承在空间技术、物理学、机器人、机床、真空泵等方面的理论研究与工业应用进行了广泛的交流。会议商定以后每两年召开一次国际磁力轴承学术交流会。1 9 9 0 年7 月在日本东京大学召丌了第二届国际磁力轴承学术会议“1 ，与第一次会议相比，这次武汉理_ t 大学硕士学位论叟=会议涉及的应用范围更广、参加的国家更多。到目前为止，已召开了九次国际会议，将磁力轴承的理论研究与工业应用推向高潮。1 2磁悬浮转子检测系统的研究现状1 2 1 磁悬浮轴承基本组成主动磁悬浮轴承其结构原理如图1 1 所示，它主要由机械系统、位移检测系统、控制器及功率放大器几个部分组成。系统工作原理及各个部分的作用主要是：主动磁悬浮轴承的定予是可控电磁铁，受功率放大器输出控制，以调整对转子的吸力的大小。转子全悬浮，为被控对象。系统运行时，首先电磁铁通电，使转子悬浮起来，当处于悬浮中的转子受到外界干扰偏离平衡位置时，位移传感器捕获将转子偏移信号，经过变送器处理后输出到控制部分，控制部分根据检测到的位移信号采用一定的控制算法输出相应的控制信号，功率放大器根据控制信号大小调节电磁铁的电流的大小，来改变电磁铁吸引力的大小，用以把转子重新调节回到平衡位置。图1 9 中，传感器探头及变送器组成转子位移检测部分，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，因而是整个系统研究的重点和难点之一。1 ，2 ，3 ，4 - 传感头：5 - 转子：6 - 轴套：7 - 铁芯：6 气隙图1 9 主动磁悬浮轴承结构示意图位移检测部分作为磁悬浮轴承的重要组成部分，必需满足以下要求：( 1 ) 非接触式。为了测量运动转子表面与定子内表面之间形成的气隙大小，必须使用非接触式位移传感器理论上利用电容、电感、光敏、光栅、霍尔效应及激光传感器等均可达到此目的。( 2 ) 具有较高的灵敏度、信噪比和线性度。磁悬浮轴承的定子与转子之问的气隙允许变化范围较小，而且气隙越大转子的刚度及承载力就愈小。一般而言，若检测出变化很小的信号，就必须要求传感器具有较高的灵敏度。如果仅仅是筒4武汉理工人学硕士学位论文的对输出量进行放大，必然引起噪声等问题。所以必须采用高灵敏度位移传感器检测磁悬浮转子的位移。( 3 ) 具有很高的温度稳定性、抗干扰能力。由于磁悬浮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。( 4 ) 具有较好的动态响应。磁悬浮转子的位移检测具有实时性，要求位移传感器必须具有足够快的动态响应。1 ，2 。2 传感器的选用从磁悬浮转子对位移的基本要求、以及当前研究现状来看，目前存在的非接触式位移传感器有霍尔元件式、差动变压器式、电容式、电涡流式、和光电式等都有可能成为磁悬浮转子位移检测的检测方式，由于他们的检测的原理不同，因而各有明显的优缺点。当前磁悬浮中位移传感器的选用方面的研究日益增多。“”“”。”，对比分析了目前存在的几种非接触位移传感器的性能、特点和应用范围，从而可以得出应该选用的传感器的种类。( j ) 霍尔效应位移传感器具有非接触，小尺寸，灵敏度高，对粗糙的表而及周围环境要求条件低? 成本低的特点，但是霍尔传感器也有精度低、易受干扰、温度特性差、易受老化影响等缺点。还需要进行相关的研究工作以改进：( 2 ) 差动变压器式位移传感器优点是抗干扰能力强、测量精度较高、输出功率大、灵敏度高、输出电压相位能反映位移的偏移方向等优点。其缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约：传感器本身的频率响应特性稍差，不适合快速动态测量。另外，与其他类型位移传感器相比它体积较大，需要频率和振幅稳定度要求较高的高频激励电源。因而该种传感器可能只是适用于大功率、大体积的磁悬浮系统：( 3 ) 电容式位移传感器由于电容式位移传感器的电容量很小，环境的变化将影响电容量，进而影响输出时期最明显的缺点。例如：在温度影响下，极板的尺寸、间隙的大小和介电常数等都会发生变化，在湿度影响下，介质的介电常数、绝缘电阻等也将发生变化，而极板表而潮气凝结成的薄膜将引起电容参数很大的变化。因此，电容式位移传感器的绝缘材料必须有高的绝缘性能、足够的机械强度、较高的形状稳定性和良好的抗湿性，材料及工艺要求较高：( 4 ) 电涡流位移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。但是它也具有温度稳定性差，用于微型转子位移检测时需要提高检测精度等问题。目前，国内对磁悬浮轴承转子位移检测的研究方面，很多单位都采用了涡流位移传感器，并对其进行研究：武汉理工大学钡士学垃论文( 5 ) 反射型光纤位移传感器通过理论及试验可以得到即离一电压曲线为“倒v ”形，上升段和下降段斜率不等，仪器的灵敏度，测量范围与测头端面处光纤排列情况及反射而的情况都和有关。一般光纤束面积大时，线性测量范围也大。反射式光纤位移传感器具有抗电磁干扰强的明显优点，但是也有涉及到光纤，制作t 艺较难得缺点。故只能在有相关条件的情况进行研究。电涡流传感器是电感传感器的一种，此类传感器是目前应用较广的非接触式传感器，在电磁轴承的研制过程中也多被采用其传感作用的机理复杂，一般无法用数学表达式做精确的描述，通常采用经验计算方法因此在国内外都作出了一系列的研究，主要集中传感器的特性曲线拟合“，动态响应特性分析研究i i z u q u s ，动态非线形和补偿研究“”“”，温度漂移与补偿研究“”“”啪m “，传感器的结构设计、性能与开发的研究”州蚓汹m 7 m 8 1 酬”1 等方面纵观国内外磁悬浮转子系统的应用与发展，磁悬浮转子系统的理论研究与发展存在一下趋势：从模拟控制转向数字控制：从p t d 稳定控制转向采用现代控制理论、鲁棒控制理论、自适应控制理论、智能控制理论的应用研究：从刚性转子的研究转向柔性转子的研究；将驱动与轴承进行混合控制，引入了无支撑电机的概念：提出零功耗磁力轴承，即超导磁力轴承等尽管磁悬浮控制技术飞速发展，作为磁悬浮转子检测系统的研究与发展方面仍存在以下问题：( 1 ) 将转子作为柔性体进行处理导致拉磁力轴承控制系统的复杂化，如何处理转予的非线性与控制系统的非线性，如何处理磁悬浮转子系统的磁场分布对测量系统影响：( 2 ) 磁力轴承控制系统与转子动态特性之间的协调与匹配，如何处理检测系统的输出信号与轴承的控制电信号之间的对应关系：( 3 ) 大多数磁力轴承的检测元件都是涡流传感器，如何处理磁力轴承的磁力线圈与传感器探头线圈的磁耦合：( 4 ) 磁悬浮转子系统中涡流位移传感器的工作特性对系统控制精度的影响1 3本研究的意义与内容安排由于磁力轴承的电涡流检测系统涉及到机械设计、转予动力学、控制理论、电工电子技术、电磁理论、测试技术、计算机技术及数字信号处理技术等众多学科的知识，研究难度很大。当前对涡流传感器研究过程中的存在多方面的问题：( 1 ) 如何提高传感器的线形测量范围范围与传感器的结构设计之间的矛盾：( 2 )铁磁材料特性对磁轴承性能的影响，涡流传感器的大小和线性度受到材料饱和磁密和磁滞特性的限制，磁轴承的功耗还受到铁磁材料涡流损耗的影响，这些材料武汉理工人学坝士学位论文特性使系统的模型和控制复杂化；( 3 ) 检测与控制系统，在磁悬浮转子系统中的位移检测元件的工作特性以及传感器之间的信号耦合，导致系统的控制精度的降低，对涡流传感器的测量误差的校正都需要进行进一步的研究。针对涡流传感器应用于磁悬浮转子系统是所遇到的问题，分析磁悬浮转予检测系统的工作原理与传感器的实际工作坏境，研究在交变磁场下的传感器受到的磁场影响，设计实验方法，测量传感器在磁悬浮转子系统工作环境下的实际数据处理，分析测量误差的表现形式与产生原因，确定磁悬浮转子系统下涡流传感器的工作特性，探讨传感器的动态特性曲线的补偿方法。本文的研究的关键问题：根据磁悬浮转子系统的结构与工作环境，设计实验对工作环境对传感器工作特性的影响进行测试；通过m a t l a b 对测试数据进行处理，分析工作环境对传感器工作特性的影响程度与表现形式：设计磁悬浮转子工作环境下传感器工作特性的误差补偿方法。文章的具体内容安排如下：第一章绪论介绍了磁悬浮转子的研究背景与磁悬浮转子位移检测系统的研究概况，位移检测方式的选型及论文的目的意义等。第二章涡流传感器的基本原理与特性分析简要介绍了涡流传感器的工作原理及信号处理电路的种类。主要通过对传感器探头的线性特性、温度特性、动态特性的影响因素的分析，为涡流传感器工作特性研究提供理论依据第三章磁悬浮转子的工作环境分析模拟磁悬浮转子系统的磁路，分析磁悬浮转子工作中的实际磁场强度，传感器的布置方式，测量方式以及工作中对转子的充磁过程对传感器的干扰强度第四章涡流传感器的工作特性实验研究设计磁悬浮转子系统下涡流传感器工作特性的实验，在磁悬浮铣床样机进行数据测试，结合实验过程中的实际问题对传感器的特性进行分析第五章磁悬浮系统中涡流传感器测量误差的补偿研究结合实验数据，设计涡流传感器的测量误差补偿方法，提出磁悬浮中传感器测量误差的补偿实施方法第六章总论总结全文，对研究内容的重点作出系统归纳。7武汉理工人学硕士学位论文1 4论文的课题支撑本文得到以下科研项目的直接支撑：国家9 7 3 前期专项( 项目名称：磁悬浮硬盘光盘转子机电耦合动力学研究) ，编号：国科基字 2 0 0 1 5 0 号国家自然科学基金项目( 项目名称：高速磁悬浮硬盘支撑技术的研究) ，编号：5 0 3 7 5 0 8 4教育部重点项目( 项目名称：微型磁悬浮转子机电耦合动力学研究) ，编号：重点0 3 1 2 l 资助。国家自然科学基金项目( 项目名称：磁悬浮转子精密控制理论与技术的研究)编号：5 0 3 7 5 1 1 3同时，本论文也是在武汉理工大学数字制造实验室对磁悬浮轴承方向的研究基础上完成的。8武汉理_ t 大学硕+ 学位论立第2 章涡流传感器的工作原理和特性分析磁悬浮系统采用位移反馈控制，在高速旋转时，径向轴承主要承受工作载荷及转子不平衡力的共同作用，如果负载不超过轴承的最大承载能力，在控制器中积分环节的作用下，位移传感器与被测量表面间的气隙应保持不变，因而主动磁悬浮主轴系统性能的优劣在很大程度上取决于所采用的位移传感器的性能。为了测量运动转子的位置，必须使用非接触式传感器。电涡流位移传感器作为无接触测量的位移传感器，它可以把位移、振幅等参数变换成电量来进行测量，并且具有结构简单，不受油污等介质的影响，频响宽，抗干扰能力强等优点。所以国内外的磁悬浮轴承大多采用涡流传感器来测量转子位移。在测量磁悬浮轴承转子五自由度位移时，各传感器之间存在相互影响和干扰，特别是在应用于磁悬浮硬盘、光盘这类微型转子的位移检测时表现更为突出，因而提出了一些新问题。例如：( 1 ) 多传感器激振频率如何保持一致：( 2 ) 传感器与轴承线圈之间磁场干扰的解耦问题：( 3 ) 传感器探头的温漂问题：( 4 ) 传感器线性量程扩展问题等等。这些影响因素在非高精度测量时可能表现不明显，但是在高精度转子的位移测量时却必需考虑并加以解决。因此，对磁悬浮转子检测系统的工作原理，涡流传感器的工作原理，涡流传感器的静动态特性以及在磁悬浮转子环境下的具体特性都需要进行深入的研究。2 1磁悬浮转子检测系统磁悬浮轴承由两部分组成：机械结构部分和电子控制部分。机械部分是由转子和绕有线圈的定予组成( 实际结构可有多种类型) 。电子控制部分包括控制器、功率放大器和定子线圈。整个系统框图如图2 1 所示：图2 1 磁悬浮转子系统框图图2 2 涡流传感器检测系统框图利用磁场力构成的单自由度磁悬浮转予位移检测系统如图2 2 所示。图中，电磁铁的吸力与转子的重力相平衡( 实际系统以差动方式提供励磁电流) ，涡流传感器检测转子相对磁极的位置变化，转换成直流电压，再经过电流输出功率放大9武汉理工大学硕_ 上学位论文器，相应地改变电磁铁线圈中的电流，调节电磁铁的吸力，保持转子回复到平衡位置。设传感器测量电路的灵敏度系数为k ( v r a m ) ，校正控制传递函数为k 2 g 。( s ) ，电流功率放大器的增益为k 。( a v ) ，这里采用电流放大器是十分重要的，因为电磁铁线圈为感性负载，电流放大器输出阻抗很大，因而可使线圈回路的时问常数( l r ) 忽略不计。这样，可以画出单轴磁悬浮控制系统的传递函数方块图如图2 3所示，图中么，表示转子给定位移，z 表示转子实际位移，只表示作用于转子的干扰力，拭和纸分别表示电磁力对于线圈电流i 和间隙变化量d 占而的比例系数：图2 3 磁悬浮转予控制系统方块图磁轴承采用差动工作方式，恢复力大小为：，2 e a r - 警+ 爿q _ 1 )式中，占。一转子在平衡位置时的气隙：出一气隙的变化量；，一电磁铁线圈的电流增量则比例系数丘和肌为k 。i , t o s n _ 2 ik a 1 t o s n - 2 1 2成乩3由图2 3 可知系统的传递函数为z c ( s ) o 亟盟z ，o ) + l f d ( s ) ( 2 - 2 )m + k o g c ( s ) 一k d m s + k o g c 0 ) 一&其中，舻五盥戍面如果五 瓜，并且f ( s ) = 1 ( 比例控制器) ，那么方程( 2 - 2 ) 简化为z c o ) 。善z ，( s ) + 疋( s ) ( 2 - 3 )m s + k o 。m s + k o方程( 2 - 3 ) 表明，不加控制的磁悬浮轴承具有固有的二阶无阻尼自振荡特性1 0武汉理工大学硕士学位论文2 2涡流传感器的工作原理电涡流传感器分为探头和信号处理器模块两个部分。图2 4 为其实物示意图如所示。以下分别对探头及信号处理模块的基本原理作相应的介绍。图2 4 涡流传感器实物图2 2 1 涡流传感器探头工作原理根据电磁感应原理，当导体处在高频交变磁场内时，由于通过导体中的磁通发生变化，导体内会产生相应的感生电流，由于导体的趋肤效应，这种电流一般都集中在导体表面并自行闭合，通常称之为电涡流。涡流位移传感器是基于导体的电涡流效应制成的。传感器探头部分的作用是把被测体的位移信号变换为与之对应的电量信号。涡流位移传感器e c d s ( e d d yc u r r e n td i s p l a c e m e n ts e n s o r ) 探头部分原理示意图如图2 5 ( a ) 所示，l 是一只固定在框架上的扁平线圈( 即探头头部线圈) ，它与一个电容c 并联，构成并联谐振回路。当探头绕制好后，探头电感值已经固定，改变并联电容c 的值可把该回路调谐至某一频率( 例如lm h z ) 。当线圈通上高频正弦交变电流时( 例如1n t z ) ，线圈端部周围的空间会产生交变磁场，。在头部附近没有测量体时，发散出去。当被测导体靠近传感器时，出于电磁感应，导体内会感生出呈漩涡状流动的涡流( 涡流的大小、相位及流动形式受到被测导体的磁导率、电导率、线圈与金属导体的距离等参数的影响) 。被测导体表面的电涡流场又产生一个方向与，相反的交变磁场，。，反作用于探头且总是抵抗，的存在，因而会使线圈l 中电流的幅度和相位改变，即改变了线圈的等效电感l 值或者等效阻抗z 值，使l c 谐振电路失谐，影响输入端电信号的变化。另外，从传感器探头的品质因素q 值来看，而且由于存在着电涡流损耗和磁能损耗“1 ，故传感器的q 值也会变化，即被测导体的位移量变化也可以等价为探头q值的变化。所以对位移的检测就转换为对传感器q 值、等效电感l 值或等效阻抗z 的变化的分析。这就是电涡流传感器探头的工作原理。1 1武汉理_ 丁大学硕士学位论立( a ) 探头不蕙图( b ) 等效电路图图2 5 涡流传感器探头示意图与等效电路图，：传感器线圈产生的磁场：，：电涡流产生的磁场；d ：探头线圈与导体的间隙：h ：电涡流的深度c ：并联谐振电容：r 1 ：传感器线圈等效电阻：l ：传感器线圈等效电感：i 。：传感器线圈中的电流：r 。：被测导体等效电阻：l 。：被测导体内涡流效应等效电感：i 。：被测导体中等效电流：i ) ：高频正弦激励信号源，m ：线圈与被测导体之间的互感线圈与被测体等效电路中，如图2 5 ( b ) ，探头线圈用原边线圈等价，金属导体中有涡流效应存在，用副边线圈等价。由电磁学原理可知：线圈阻抗的变化既与电涡流效应有关，由此可以写出方程：卜 鸣，l 叫枷：( 2 - 4 )l j 6 0 m 1 l + r 2 ，2 + j 础2 ，22 0解得：小卟+ 礞篙+ 恤城：。焘 ) - ls ，扣等铲治。，则线圈等效阻抗及电感值为：m ：焘+ 巾畸蕊c 0 2 m2 浯，三= 三。+ l ：丽c 0 2 m2( 2 8 )由方程式( 2 7 ) ，( 2 - 8 ) 可知，线圈一金属导体系统的阻抗、电感都是此系统互感系数m 的二次函数，而互感系数m 是两个磁性线圈距离x 的非线性函数。所以电涡流传感器的输出特性为一个呈“s ”形的非线性函数。其输出电压v 位移u 的特性曲线如图2 6 ( a ) 所示。，由图示可知，曲线在点a 与b 之间可以近似为武汉理工大学硕士学位论文线性，图2 6 ( b ) 为实际涡流位移传感器的线性曲线图，是取曲线在中间一段近似地用某一线性函数来表示。曲线表明：电涡流位移传感器原理决定着其必然存在着的非线性误差。v( 4 ) 理地曲线嗍t b ) 安酥曲娃瞄图2 6 涡流位移传感器理论与实际线性曲线图2 2 2 探头工作特性分析在分析传感器的工作特性之前，需要对电涡流的形成范围及其损耗功率，传感器测量位移的依据进行具体的讨论。( 1 ) 电涡流的形成范围著名的麦克斯韦电磁方程组是宏观电动力学的基本方程组。它用数学的方式揭示了电场和磁场之间的联系和他们服从的规律，是讨论电磁现象的基础，也是对涡流传感器进行理论分析的基本工具。求电涡流贯穿深度可以用电磁波入射到半无限大平面导体来进行处理，根据麦克斯韦方程及边界条件，可以写出方程式( 2 - 9 ) ：v x h _ ji v - ，丝监一0 1 - 1ipd t1 h 工y = o h z l x 。一。2 9 f 日y l 茗。= 日。e ，瓦由方程式( 2 - 9 ) 推导得如下方程：正七汉理工人学硕上学位论文专“，生竺监塑缸po t( 2 一l o )h 。( 0 ，f ) ：e i 甜日一x - 0 h z l y ；。h 一磁场强度j 一电流p o - 真空中的磁导率，一被测导体磁导率p 一被测导体电导率解方程( 2 - l o ) 得：b y ( x ，f ) 以h 。e b x e j ( 耐一缸) ( 2 - 11 )日。 ，f ) 。h 。e k e ， 一h )( 2 一1 2 )令62 j 丝鸶 ，当工1 时，幅值衰减到表面强度得形，因此可以知道被测导体内得涡流贯穿深度为：i l ：三。上l 5 0 0 0 卫bv 肛o p ，i 7y 卢，f( 2 - 1 3 )，一激励频率；导体内得电涡流可以求得为：，。：掣：一b ( j + 1 ) h 。e b x e j ( “一缸( 2 - 1 4 )由( 2 - 1 4 ) 式可见，导体内的电涡流不但密度不均匀，而且相位也不相等，它表明在导体内的涡流流动随着深度的增加，其幅值会衰减，相位要滞后。为了简化系统的模型，可以用一个适当尺寸的具有适当电流平均值的环，来类比导体内的再涡流分布范围。电涡流环的几何尺寸为：电流环的外半径 = 1 3 9 届环的内半径n = 0 5 2 5 & ，环的厚度屉o 8 6 5 风兄为传图2 7 电涡流回路元感器线圈的外径。1 4dr武汉理工大学硕士学位论文( 2 ) 涡流损耗金属板具有电阻，有涡流流通时便会消耗一部分磁场能量消耗的能量转变为热量，使金属板发热，这称为“楞次一焦耳热”。又因是涡流引起的能量损耗，也称为“涡流损耗”，其大小用“涡流损耗功率”表示。如图2 - 7 所示电涡流环得回路元，其厚度为h ( 由涡流贯穿深度所决定) ，n 为外环半径：如为内环半径，r = ( 娲+ ) 2 。回路元得电阻为庐p 鲁，则所计算范围内电涡流得损耗功率为：e2p2p2l百(2-15i尺= 户i i = p 丽2 1 r( 2 一1 6 )卢感应电动势得有效值俨有效电阻因为感应电动势为s 一生d 一万2 堕，如果设曰s i n ( 耐) ，则有：td tb m= 一艚2 m 8 。c o s ( 耐)所以在回路元感应出得电动势得有效值为：e ；堡( 2 1 7 )2把式( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) 中的r ，e 的值代入式( 2 1 5 ) 可得：p = p 等= p 半= 辟m1 8 )即被测导体内电涡流的损耗功率为：p = 印= 等w ( 2 _ 1 9 )可知影响涡流损耗的因素有：交变磁场的工作频率，最大磁感应强度鼠；导体的电导率p 以及电涡流形成的范围参数娲与 。( 3 ) 品质因素0品质因素q 的物型意义是无功功串与行功功率之比，即o = 百c o l回路q 值的高低主要决定于回路元件的质量，例如回路中电感线和电容的损耗0 6 阻的大小。在考虑0 6 抗元件的损耗时，可以用一个小电阻与电感或电容串联或武汉理丁大学倾l 学位沦文者用一个大电阻与之并联来表示元件的损耗，根据这两种情况可以分别算出电感和电容的品质因数m 年uq ，。因此，可以计算出回路的品质因数：11 。堕。生；一笪。! + !( 2 2 0 )0月r + 凡f月+ r cql0 c由上式可知回路的品质因数q 比单个元件的品质囚数的值小，实际产品中电容的损耗比电感的损耗小很多即q 。 q ，因此回路的品质因数近似等于电感线圈的q值。从物理意义上讲，传感器的品质因数是由满流损耗增加的结果。( 4 ) ；咀| l 量依据综合方程( 27 ) ( 2 - 8 ) ( 2 一i g ) ( 2 - 2 0 ) ，依据传感器的工作原理，探头有i 种不同的的输出量：q 、厶五他们之问是彼此关联的，配备相应的测量电路就可以直接反映各自的人小变化，最后转化成电压与位移之间的特性曲线。2 3涡流传感器的特性分析传感器的工作特性主要包括探头的线性特性，温度特性和动态特性等，通过对传感器的的探头线性特性，温度特性和动态特性的分析，确定影响传感器工作特性的对应吲素，以提高磁悬浮转子系统环境下传感器的钡9 量精度。2 3 1 涡流传惑器的静态特性( 1 ) 探头线圈对传感器线性特性的影响h 方程式( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 可知电涡流传感器的测量原理决定其必然存在非线性误差，传感器的线性范围大小，灵敏度高低不仅与直接反映的有关，i 睡且与传感器线圈的形状和大小也有关。对于以测量位移为基本量的传感器，传感器线圈的参数对传感器的性能有直接的影响，一般情况下，都希望传感器有大的测量范围和高的测量灵敏度，但是两者要同时达到往往是非常困难的，所以在设计传感器时应根据实际的测量要求来满足 要的性能不过传感器线圈的品质因数商，则对两者都有利。出方程式( 2 - 1 0 ) ( 2 - 2 0 ) 可知，传感器探头一被测导体系统中的总损耗功率直接影响传感器的品质因数，因而交变磁场的工作平率最大磁感应强度鼠，导体的电导率p ，电涡流形成的范围参数如与五，以及探头线圈的结构尺寸都是影响q 的因数。当被测导体靠近传感器时( 即d 减小) ，损耗功率增大，回路q值就降低，从谐振回路的谐振曲线来刊i 其峰值下降，同时曲线变得平坦，见下值就降低，从谐振回路的谐振曲线来刊i 其峰值下降，同时曲线变得平坦，见下圈2 9 。1 6武汉埋工大学硕士学位论文图2 9 谐振曲线传感器探头向被测导体靠近时，传感器的等效电感改变了，可由下式计算出：l = 厶一l 2 蕊c 0 2 m 2( 2 2 1 )其中厶一不计涡流效应式传感器的电感量厶一电涡流等效电路的等效电感传感器在测量前，线圈被调协到谐振，由 o l = i a ，c ，引入非铁磁性材料或者硬磁材料等被测导体时，传感器线圈的电感量减小，谐振回路失协，谐振曲线右移，如果被测导体是软磁材料，线圈电感量便增加，谐振曲线左移。当载流频率一定时，传感器f 回路的阻抗z 就反映了电感的变化，从而反映了q 的变化。传感器线性范围的大小，灵敏度高低都与线圈的形状、尺寸有关，因为线圈的形状、尺寸直接影响线圈所产生的磁场的分布。线圈直径增大时，线性范围相应增大，灵敏度则降低。经验表明，传感器的线性范围一般为线圈直径的1 3 1 5 ，线圈做好尽可能做成扁薄圆片形状。( 2 ) 探头结构对传感器线性特性的影响对电涡流传感器来说，线性度的好坏不仅直接影响传感器的精度，而且对其测量范围也有限制作用，特别是在微型磁悬浮转子的位移检测上，这种限制作用表现更为明显。测量位移的涡流位移传感器实际是一个扁平线圈，它可以看成是很多个载流元导线在同轴上叠加而成，根据毕沙定律，单匝载流元导线在其轴上的磁感应强度鼠为：b ；型! ：2 2 + ，2 ) 2式中u o 一真空中磁导系数，_ 导线中的电流r 导线电阻r 离导线轴线的距离1 7武汉埋工大学硕士学位论文 一tir 。iltii图2 1 0 传感器探头线圈与被测导体距离的结构示意图载流扁平线圈产生的磁场可以认为由相应圆电流的磁场叠加而成，设线圈的几何尺寸如图2 1 0 ，线圈共有 ，匝，当通以电流时，可推导出距离传感器线圈为x 处的磁感应强度b ：肛丽u o n ir m 蔫刊n 筹】( z - z z ，由方程式( 2 - 2 2 ) 可知：传感器探头线圈外径增大时，b 增大，传感器敏感范围大，线圈的线性范围相应会增大；线圈外径减小时，线性范围虽然减小，但传感器灵敏度会增大；探头线圈的扁薄程度也会影响传感器灵敏度大小。当线圈外径与内径之比届尼增大时，传感器的灵敏度会升高，而且输出特性的线性度变好。在截面积相同的情况下，同线圈截面为矩形的传感器相比较，用梯形线圈可提高传感器的灵敏度，但线性测量范围有所降低：用倒梯形线圈可扩大传感器的线性测量范围但灵敏度有所降低。梯形线圈同矩形线圈比较，性能没有根本改善，而倒梯形线圈同样比矩形线圈线性测量范围提高综上所述，倒梯形线圈在提高线性测量范围这方面比矩形线圈优越，而提高线性测量范围在实用中具有重要的价值“”。测试线圈的直径对线圈的自感影响较大，对互感的影响要小于自感的影响。调整线圈的直径可以改变测试电路的有关参数。一般地，如果用调频测量电路，可以根据测量电路的不同测量频率的范围来选择线圈的直径3 。线圈的匝数不仅影响线圈的测试电感l ，而且影响测试的灵敏度。从上述线圈测试电感的变化趋势看来，在有限匝数的范围内，线圈匝数小，测试灵敏度较小，线圈的匝数增大，测试的灵敏度升高，在实际的设计中要考虑增加互感，减少测试线圈的自感。武汉理工大学硕士学位论文2 3 2涡流传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化