磁悬浮轴承的常用检测传感器简介

1、磁悬浮轴承的常用检测传感器简介课程名称机械原理院机械年级2013专业班机电5班学生姓名陈鹏宇学号20132798开课时间2015至2016学年第2学期13机电5班20132798陈鹏宇摘要：磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间,使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承,由于它具有无机械摩擦、能耗低、噪声小、寿命长及无污染等优点,在航空航天等多个工业领域有着广泛的应用前景。随着其的发展，位移传感器作为磁悬浮轴承系统的检测部分,是磁悬浮轴承系统的重要组成部分之一,其性能对转子工作位置的控制精度有很大的影响。目前磁悬浮轴承系统多采用位移传感器,主要有电涡流传感器、电感式传感器、电容传感

2、器、光电传感器和激光传感器。本文将依次介绍其中应用较为广泛的几种传感器的原理及其利弊。一.磁悬浮轴承的原理及特点磁悬浮轴承系统是依靠电磁力对转子实现非接触支承的系统。与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁悬浮轴承明显的特点在于没有机械接触，且其支承力可控。此外，磁悬浮轴承还具有以下优越性能：没有机械摩擦和磨损，因而降低了工作能耗和噪声，延长了使用寿命；动力损失小，便于应用在高速运转场合；由于省去了润滑和密封系统，无污染，可应用于真空超净及极端温度和压力等特殊工作环境。磁悬浮轴承从原理上可分为两种，一种是主动磁悬浮轴承；另一种是被动磁悬浮轴承简称。由于前者具有较好的性能，它在工业上得到越来越广泛的应

3、用，我们研究所所研究的都是主动磁悬浮轴承。磁悬浮轴承系统主要由被悬浮物体（以下称为转子）、传感器、控制器和执行器四大部分组成。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。图2-1是一个简单的13机电5班20132798陈鹏宇磁悬浮轴承系统，设电磁铁绕组上的电流为I它对转子产生的吸力F和转子的重力mg相平衡，转子处于悬浮的平衡位置，这个位置称为参考位置。假设在参考位置上，转子受到一个向下的干扰，转子就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移,控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将该控制信号变换成控制电流I+i，从而改变电磁铁的吸力，驱动转子返回到原来的平衡位置同

4、理可得，不论转子受到向上或向下的扰动，图2-1中的转子始终能处于稳定的平衡状态。磁悬浮轴承对传感器的要求传感器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分，其性能的优劣在很大程度上影响了整个系统的性能。磁悬浮轴承对传感器的要求有：能实现非接触测量；能真实反映出转子中心的位移变化；具有很高的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力及精确的重复性，同时还要求有一定的频率响应范围选用传感器时应考虑以下几个方面的性能：(1)测量范围传感器的输出电压信号是位移信号的函数，所谓传感器的测量13机电5班20132798陈鹏宇范围指的是传感器能够线性地跟随位移变化的范围。对磁悬浮轴承用的传感器来说，希望测量范围为0.

5、51.0mm。(2)灵敏度单位位移时传感器的输出称为灵敏度，常用mV/表示。但是，灵敏度太大，测量范围小。根据现有涡流传感器的参数，选用灵敏度为20mV/m比较合适，对应的测量范围为0.50.8mm。(3)分辨率传感器能够分辨出的最小位移称为分辨率，希望传感器的分辨率为0.1gm甚至更小.频率范围线性频率响应，亦即灵敏度不受频率的影响，这在磁悬浮轴承应用中是必要的。灵敏度下降3dB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。其它方面的性能如稳定性要好，温漂、零漂和时漂要小，能够在较宽的温度范围内稳定地工作。三.适用于磁悬浮轴承检测的传感器1.电感传感器电感式传感器，是利

6、用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的一种装置。它可以把输入的物理量如位移、振动、压力、流量、比重等参数，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，13机电5班20132798陈鹏宇即实现非电量到电量的转换。由于电感式传感器结构简单，抗干扰能力强，灵敏度高，目前得到普遍重视。用于磁悬浮轴承的传感器为差动变压器式电感传感器。（1）.工作原理如图，差动变压B器主要是由一个线框和一个铁芯组成,在线框上绕有一组初级线圈作为输入线圈（或称一次线圈）,在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈（或称二次线圈）,并在线框中央圆柱孔中放入铁芯，当初级线圈加以适当频

7、率的电压激励时，根据变压器作用原理，在两个次级线圈中就会产生感应电势，当铁芯向上或向下移动时,在两个次级线圈内所感应的电势一个增加一个减少。如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压U等于两个次级线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压u为0，当铁芯移动时，传感器的输出电压u就随铁芯位移X成线性的增加。如果以适当的方法测量u,就可以得到与X成比例的线性读数。2.电涡流传感器电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动

8、态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。（1）.工作原理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（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），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。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传

9、感器。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率&磁导率&尺寸因子T头部体线圈与金属导体表面的距离D电流强度I和频率0参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F（tE&D,

10、I,0函数来表示。通常我们能做到控制TE&I,0这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。3.电容传感器电容式传感器是利用将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量，它具有结构简单，体积小,分辨率高,动态响应好，温度稳定性好等优点,它属变参数型传感器

11、如果把电容传感器运用于磁悬浮轴承，它具备了温度稳定性好，静态引力小，动态响应好，结构简单,适应性强等特点（1）.工作原理电容式传感器一般由两个平行电极构成，在其两个电极之间以空气作为介质，在不考虑边缘效应的前提下，其电容可表示为C=S/d，其中，表示两电极间介质（即空气）的介电常数，S表示两电极之间相互覆盖的面积，d表示两电极间的距离，电容受这三个参数影响，任意一参数的改变就会使得电容得以改变。因此，可将电容传感器分为介质变化型（的变化因此C的变化）、面积变化型（S的变化因此C的变化）和极距变化型（d的变化因此C的变化）三种。根据磁悬浮式轴承的结构，采用变极距的电容传感器，电容极板13机电5班

12、20132798陈鹏宇变大,电容值也就变大,极距变化引起的电容变化也大了,即位移与电容值之间的对应关系也就更加的明朗,灵敏度也将提高为了克服某些外界因数对测量的影响,应采用两个传感器形成差动传感器，当动极板移动后,q和q成差动电容变化，即其中一个电容增大,而另一个电容量就减小,这样可以消除外界因数所造成的测量误差。四三种传感器的比较电涡流式传感器，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，因而它对外磁场比较敏感，比如磁悬浮轴承产生的磁场就可能影响传感器的工作，所以涡流传感器的安装要离开磁悬浮轴承一定的距离，而且在磁悬浮轴承结构上，应尽量减小漏磁，并努力在空间布局上减小其对传感器的影

13、响。电容式传感器是靠电容的两个极板之间的间隙的变化而工作的，所以对外磁场不敏感，不存在上述问题，但由于受到空间限制，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，而且容易受分布电容的影响。光电式传感器，是将非电量的变化转换为光量的变化，然后通过光电器件的作用，就可以将非电量的变化转换为电量的变化。但光电式传感器对环境要求苛刻，如灰尘等圬物会直接影响其灵敏度和工作点，而且随时间的推移，光电器件的灵敏度也会下降。就辅助电路的复杂程度而言，涡流式和电容式的电路复杂程度相当，而光电式的电路要简单得多,。但要满足磁悬浮轴13机电5班20132798陈鹏宇承的要求和使用环境，电容式和光电式都需要比较高的技术要求。相比之下，电涡流传感器的技术要求相对较低。目前，国内外在磁悬浮轴承系统中主要使用的是电涡流位移传感器对电涡流传感器和电感传感器进行了对比实验。有实验表明，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悬