CN100398996C - 一种一体化、五自由度电涡流传感器 - Google Patents

Abstract

一种一体化、五自由度电涡流传感器，能够测量磁轴承转子实际位置与给定位置之间的位移偏差信号，实现对磁轴承转子的稳定控制。传感器由传感器探头、测量电路、壳体组成，12个传感器探头及其测量电路采取一体化设计，避免了传感器探头与测量电路之间的延伸电缆所带来的干扰。4个径向传感器探头组成差动式结构，探测两个正交方向的径向转子平动位移；8个轴向传感器探头组成差动式结构，探测转子轴向平动位移以及两个正交方向的转子转动位移。本发明使传统磁轴承必须分别两端配置的两只传感器简化为一只，就可以提供磁轴承控制所需要的转子五个自由度的位移信号，减小了磁轴承体积、减轻了重量。本发明适用于磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等高精度航天器姿态执行机构。

Description

一种一体化、五自由度电涡流传感器

技术领域

本发明涉及一种电涡流传感器，用于对磁轴承转子位移的高精度非接触测量，特别适用于对传感器的体积、重量和精度等方面有严格要求的航天器高精度姿态执行机构的磁轴承转子位移检测，如磁悬浮飞轮、磁悬浮控制力矩陀螺等。

背景技术

磁轴承具有无机械摩擦和磨损、不需要润滑和维护、允许转子高速旋转等优点，因此被广泛应用于航天器姿态执行机构中。磁轴承用于支承飞轮转子，以代替机械轴承，以消除机械摩擦，提高转子的转速，从而可提高飞轮和控制力矩陀螺的控制精度，延长姿态控制系统的使用寿命、降低系统功耗。

磁悬浮轴承系统中，为了对磁轴承进行主动控制，以实现转子的稳定悬浮，必须由位移传感器提供转子准确的位置信息。磁轴承的结构决定了对转子位移的测量方式必须是非接触式的，由于电涡流位移传感器在体积、频响、稳定性方面的优势而在磁轴承上获得了广泛应用。在五自由度磁轴承控制中，需要探测五个自由度的位移信号，现有的磁轴承位移传感器结构一般分为两类：一是传感器探头与测量电路分离的普通电涡流传感器结构，这种结构体积重量大，抗干扰能力差；二是将传感器探头和测量电路一体化设计的结构，这种结构一般是将三个正交方向转子平动位移检测集成化，一只传感器只能进行三个正交方向平动位移的检测，无法提供磁轴承主动控制所需要的另两个转动自由度的信号。若采用现有的电涡流传感器，至少需要在转子两端对应配置两个径向/轴向传感器，才能获得控制所需要的全部转子位置信息。因此，现有的电涡流传感器体积、重量和功耗大，结构不紧凑。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有磁轴承电涡流位移传感器体积大、结构复杂的不足，提供一种一种一体化、五自由度电涡流传感器，用于磁悬浮飞轮转子的位移检测，减小电涡流传感器的体积、重量，提高装配、检测和控制精度。

本发明的技术解决方案是：它由探测X方向和Y方向位移的4个差动配置的径向传感器探头(P1～P4)及其相应的测量电路、探测Z方向位移的8个差动配置的轴向传感器探头(P5～P12)及其相应的测量电路组成，12个传感器探头(P1～P12)及其相应的测量电路全部集成在一个传感器壳体内，其中径向传感器探头的第一传感器探头P1和第二传感器探头P2沿X轴方向组成一对，分别位于X轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号；径向传感器探头的第三传感器探头P3和第四传感器探头P4沿Y轴方向组成一对，分别位于Y轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号，两路差分信号分别代表磁轴承转子X方向和Y方向的平动；轴向传感器探头的第五传感器探头P5和第九传感器探头P9沿Z轴方向组成一对，配置成差动式结构，其测量电路输出一路差分后的电压信号；轴向传感器探头的第六传感器探头P6和第十传感器探头P10沿Z轴方向组成一对，分别位于Z轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号，轴向传感器探头的第五传感器探头P5和第九传感器探头P9组成的一对传感器探头与轴向传感器探头的第六传感器探头P6和第十传感器探头P10组成的一对传感器探头分别位于X轴的两个方向成180°角；轴向传感器探头的第七传感器探头P7和第十一传感器探头P11沿Z轴方向组成一对，分别位于Z轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号；轴向传感器探头的第八传感器探头P8和第十二传感器探头P12沿Z轴方向组成一对，分别位于Z轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号；轴向传感器探头的第七传感器探头P7和第十一传感器探头P11组成的一对传感器探头与轴向传感器探头的第八传感器探头P8和第十二传感器探头P12组成的一对传感器探头分别位于Y轴的两个方向成180°角，轴向4路差分信号都代表了磁轴承转子的轴向平动，轴向传感器探头的第五传感器探头P5和第九传感器探头P9测量电路的差分输出与轴向传感器探头的第六传感器探头P6和第十传感器探头P10测量电路的差分输出的差值代表了磁轴承转子绕X轴的转动信号，轴向传感器探头的第七传感器探头P7和第十一传感器探头P11测量电路的差分输出与轴向传感器探头的第八传感器探头P8和第十二传感器探头P12测量电路的差分输出的差值代表了磁轴承转子绕Y轴的转动信号。

本发明的原理是：本发明将按一定结构配置的4个径向通道和8个轴向通道的传感器探头和相对应的测量电路集成在一个传感器壳体内。检测电路采用恒频调幅式，利用一个并联谐振电容与传感器探头的检测电感线圈构成一个并联谐振回路，利用恒定幅值和频率的高频正弦信号对并联谐振回路进行激励，利用电涡流效应将距离的变化转变为传感器探头线圈所组成的并联谐振回路阻抗的变化，然后经过检波得到与传感器探头和被测体之间的位置信息成线性关系得电压信号。通过径向传感器输出2路信号，可以得到磁轴承转子X方向、Y方向的平动位移信号；通过轴向传感器输出的4路信号，取其平均值可以得到轴向平动位移信号，取X轴方向上两个轴向传感器输出的差值，可以得到转子绕Y轴的转动信号，取Y轴方向上两个轴向传感器输出的差值，可以得到转子绕X轴的转动信号，并且根据转子的几何尺寸以及质心位置可以得到传感器在两个磁轴承位置的X方向和Y方向上的等效位移，从而只用一个传感器就可实现对磁轴承转子进行主动控制所需要的三个平动以及两个转动共五个自由度的位置信息的高精度检测。

本发明利用了涡流检测技术构建一种磁轴承位移传感器，本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)轴向传感器正交方向对称配置了4对传感器探头，轴向位移量输出取4个点位移量的平均值，较单探头和双探头方案相比，可以有效地消除转子偏转和加工表面带来的误差，提高了测量精度。

(2)轴向多探头配置同时实现了转子轴向平动和转子X方向、Y方向转动信号的检测。

(3)一只传感器实现了轴向位移的差动测量，提高了轴向传感器的线性度和温度稳定性。

(4)一只传感器就可以提供磁轴承主动控制所需要的5个自由度的转子位置信息，克服了现有磁轴承系统需要两只位移传感器完成转子位置信息的检测所带来的体积重量大的缺陷，提高了传感器的集成度和装配精度，减轻了重量，减小了体积。

(5)该发明的传感器测量电路采用恒频调幅式，12个传感器探头采用同一个信号源进行激励，消除了使用多个激励源所带来的传感器探头之间的拍频干扰，并且简化了电路结构。

附图说明

图1为本发明的外转子结构三视示意图；

图2为本发明的内转子结构三视示意图；

图3为本发明与外转子结构磁轴承的配置示意图；

图4为本发明的测量电路原理框图；

图5为图4的其中一路测量电路原理图。

具体实施方式

一体化、五自由度的电涡流传感器1由12个传感器探头(P1～P12)和相应的测量电路组成，本发明可以根据磁轴承转子的不同结构形式设计为内转子或外转子结构。本发明的外转子结构如图1所示，图中2为径向传感器探头的检测面，为转子内侧表面，检测面相对于径向传感器探头外置，第一传感器探头P1和第二传感器探头P2沿X轴方向组成一对，分别位于X轴的两个方向成180°角。第三传感器探头P3和第四传感器探头P4沿Y轴方向组成一对，分别位于Y轴的两个方向成180°角，安装在传感器外圆周上。8个轴向传感器探头(P5～P12)对称分布在传感器Z轴方向两个端面上，31、32为传感器的轴向检测面；本发明的内转子结构如图2所示，2为径向传感器探头的检测面，为转子外侧表面，检测面相对于径向传感器探头内置，第一传感器探头P1和第二传感器探头P2沿X轴方向组成一对，第三传感器探头P3和第四传感器探头P4沿Y轴方向组成一对，安装在传感器内圆周上。8个轴向传感器探头(P5～P12)对称分布在传感器Z轴方向两个端面上，31、32为传感器的轴向检测面。考虑到磁轴承的尺寸和保护间隙，径向传感器探头设计测量范围为0.25mm～1.25mm，轴向传感器探头设计测量范围为0.5mm～1.5mm。

第一传感器探头P1和第二传感器探头P2配对成差动测量结构，探测转子X轴方向的平动位移；第三传感器探头P3和第四传感器探头P4配对成差动测量结构，探测转子Y轴方向的平动位移。传感器4个径向传感器探头(P1～P4)测量电路的输出分别表示为：u_xp，u_xn，u_yp，u_yn，传感器径向传感器探头的测量电路的差动输出表示为：

X轴方向：u_dx＝u_xp-u_xn；Y轴方向：u_dy＝u_yp-u_yn

8个轴向传感器探头(P5与P9、P6与P10、P7与P11、P8与P12)两两配置成4对差动测量结构，位于与径向传感器探头相对应的传感器的Z方向两个端面上，可以对4个点的轴向位移进行测量，从而获得Z向方向的平动位移信号以及转子绕X轴和Y轴两个方向的转动信号。若轴向传感器探头的第五传感器探头P5和第九传感器探头P9的差动输出表示为u_axp，第六传感器探头P6和第十传感器探头P10的差动输出表示为u_axn，第七传感器探头P7和第十一传感器探头P11的差动输出表示为u_ayp，第八传感器探头P8和第十二传感器探头P12的差动输出表示为u_ayn，则传感器的轴向平动输出可以表示为 $u_{\mathrm{asum}}=\frac{(u_{\mathrm{axp}}+u_{\mathrm{axn}}+u_{\mathrm{ayp}}+u_{\mathrm{ayn}})}{4},$ Z向方向的平动位移信号取轴向4个差动输出的平均值，可以有效地消除由于转子体转动所引起的轴向检测面倾斜以及轴向探测面加工误差所带来的测量误差。传感器检测的转子绕X轴和Y轴两个方向的转动输出：u_wx＝u_axp-u_axn，u_wy＝u_ayp-u_avn。

如图3，为本发明与外转子结构磁轴承的配置示意图。图中1为本发明-电涡流位移传感器，2为传感器的径向探头检测面，31、32为传感器两个轴向探头检测面，4为一端径向磁轴承，5为一端径向磁轴承，6为轴向磁轴承，7为磁轴承定子轴。若8个轴向传感器探头(P8～P12)安装圆直径为d，转子绕X轴的偏角为α，转子绕Y轴的偏角为β，传感器灵敏度为k_s。则有

$\tan \mathrm{\α}=\frac{(u_{\mathrm{axp}}-u_{\mathrm{axn}})k_s}{d},$ $\tan \mathrm{\β}=\frac{(u_{\mathrm{ayp}}-u_{\mathrm{ayn}})k_s}{d}$

以转子的质心为坐标原点建立坐标系，传感器任意径向探头(P1～P4之一)中心到径向磁轴承4的距离为l₁，到径向磁轴承5的距离为l₂，到飞轮转子体质心的距离为l_so。在偏转角较小的情况下，有sinα≈tanα≈α，sinβ≈tanβ≈β。考虑到转子的质心不在转子的几何中心，则控制所需的5个自由度的传感器输出表示为：

Z轴方向的平动： $u_{\mathrm{asum}}=\frac{(u_{\mathrm{axp}}+u_{\mathrm{axn}}+u_{\mathrm{ayp}}+u_{\mathrm{ayn}})}{4}$

X轴方向的转动：u_wx＝u_axp-u_axp

Y轴方向的转动：u_wy＝u_ayp-u_ayn

X轴方向的平动： $u_{\mathrm{tranX}}=u_{\mathrm{dx}}-2l_{\mathrm{so}}\tan \mathrm{\α}\≈u_{\mathrm{dx}}-\frac{2l_{\mathrm{so}}{u}_{\mathrm{wx}}{k}_s}{d}$

Y轴方向的平动： $u_{\mathrm{tranY}}=u_{\mathrm{dy}}-2l_{\mathrm{so}}\tan \mathrm{\β}\≈u_{\mathrm{dy}}-\frac{2l_{\mathrm{so}}{u}_{\mathrm{wy}}{k}_s}{d}$

由传感器的平动和转动输出可以获得控制所需要的径向磁轴承4处X轴方向和Y轴方向的等效位移传感器输出为u_1dx，u_1dy；磁轴承5处的X轴方向和Y轴方向的等效位移传感器输出u_2dx，u_2dy。即有：

(u_1dx u_1dy u_2dx u_2dy)^T＝A(u_dx u_dy u_wx u_wy)^T，

其中 $A=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& \frac{2l_1}{d}& 0\\ 0& 1& 0& \frac{2l_1}{d}\\ 1& 0& \frac{2l_2}{d}& 0\\ 0& 1& 0& \frac{2l_2}{d}\end{array}\right)$ ，为传感器坐标系到磁轴承坐标系的转换矩阵。

如图4，传感器测量电路采用了恒频调幅式，由1MHz晶体振荡器、推挽式功率放大电路、探头与谐振电容组成的LC谐振电路、峰值检波电路、缓冲电路和差动放大电路组成。1MHz晶体振荡器产生频率为1MHz的高稳定度的正弦信号，推挽式功率放大电路对晶体振荡器产生的正弦信号进行电流放大，提高其带负载能力。传感器探头和谐振电容构成并联LC谐振回路，当LC谐振回路的固有振荡频率等于晶体振荡器供给的高频信号频率时，回路的阻抗最大，输出电压为最大。当被测体接近传感器时，传感器的等效阻抗发生变化，回路失谐，谐振峰向两旁移动，输出电压也发生相应的变化，这样LC谐振回路输出高频调幅波，峰值检波电路将LC谐振回路的高频调幅波转换成直流电压，为减小测量电路的负载，提高并联谐振回路的品质因数，检波电路后设计了一级缓冲电路，差动放大电路对缓冲后的电压信号进行差动放大抑制电路的共模干扰。图5为图4的其中一路测量电路原理图，推挽式功率放大电路采用了小功率晶体管9012和9013组成的双管推挽式输出结构。为提高检波效率，峰值检波电路采用了两只高速开关管1N60组成的倍压检波器。运算放大器TL084组成的电压跟随电路作为峰值检波电路和差动放大电路之间的缓冲电路。差动放大电路由TL084组成。

本发明采用差动式结构，采用电参数完全相同和机械参数完全对称的传感器探头，设计了电路参数和结构完全对称的检测电路，提高了传感器的温度、时间稳定性和线性度。12个传感器探头和谐振电容组成的12个LC谐振回路采用同一个激励信号源进行激励，避免了传感器探头之间的拍频干扰，节省了激励信号源，简化了电路结构。

Claims (3)

1.一种一体化、五自由度电涡流传感器，其特征在于：它由探测X方向和Y方向位移的4个差动配置的径向传感器探头(P1～P4)及其相应的测量电路、探测Z方向位移的8个差动配置的轴向传感器探头(P5～P12)及其相应的测量电路组成，12个传感器探头(P1～P12)及其相应的测量电路全部集成在一个传感器壳体内，其中径向传感器探头的第一传感器探头(P1)和第二传感器探头(P2)沿X轴方向组成一对，分别位于X轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号；径向传感器探头的第三传感器探头(P3)和第四传感器探头(P4)沿Y轴方向组成一对，分别位于Y轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号，两路差分信号分别代表磁轴承转子X方向和Y方向的平动；轴向传感器探头的第五传感器探头(P5)和第九传感器探头(P9)沿Z轴方向组成一对，配置成差动式结构，其测量电路输出一路差分后的电压信号；轴向传感器探头的第六传感器探头(P6)和第十传感器探头(P10)沿Z轴方向组成一对，分别位于Z轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号，轴向传感器探头的第五传感器探头(P5)和第九传感器探头(P9)组成的一对传感器探头与轴向传感器探头的第六传感器探头(P6)和第十传感器探头(P10)组成的一对传感器探头分别位于X轴的两个方向成180°角；轴向传感器探头的第七传感器探头(P7)和第十一传感器探头(P11)沿Z轴方向组成一对，分别位于Z轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号；轴向传感器探头的第八传感器探头(P8)和第十二传感器探头(P12)沿Z轴方向组成一对，分别位于Z轴的两个方向成180°角，其测量电路输出一路差分后的电压信号；轴向传感器探头的第七传感器探头(P7)和第十一传感器探头(P11)组成的一对传感器探头与轴向传感器探头的第八传感器探头(P8)和第十二传感器探头(P12)组成的一对传感器探头分别位于Y轴的两个方向成180°角，轴向4路差分信号都代表了磁轴承转子的轴向平动，轴向传感器探头的第五传感器探头(P5)和第九传感器探头(P9)测量电路的差分输出与轴向传感器探头的第六传感器探头(P6)和第十传感器探头(P10)测量电路的差分输出的差值代表了磁轴承转子绕X轴的转动信号，轴向传感器探头的第七传感器探头(P7)和第十一传感器探头(P11)测量电路的差分输出与轴向传感器探头的第八传感器探头(P8)和第十二传感器探头(P12)测量电路的差分输出的差值代表了磁轴承转子绕Y轴的转动信号。

2.根据权利要求1所述的一种一体化、五自由度电涡流传感器，其特征在于：所述的传感器探头测量电路均采用了恒频调幅式，采用同一个带有功率放大电路的晶体振荡电路对12个传感器探头(P1～P12)及其谐振电容所组成的12个LC谐振回路进行激励。

3.根据权利要求1所述的一种一体化、五自由度电涡流传感器，其特征在于：所述的12个传感器探头(P1～P12)可以根据磁轴承转子结构的不同配置为内转子结构或外转子结构。

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