CN101113896A - 一种用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置及测量方法，包括低温杜瓦(8)、超导悬浮线圈(5)、超导铌球转子(1)、铌瓦(2)、超导电机(6)，力矩器(7)，中心柱(9)、铜板(10)、极轴光纤传感器(3)和转速光纤传感器(4)。超导铌球转子(1)位于两个内面呈球面的铌瓦上下相对布置形成的球形腔内，套在中心柱(9)上；两个圆形的超导线圈(5)套在上下两个铌瓦(2)上。转子顶部加工成平面，在其上刻制漫反射图形。两个光纤传感器光轴垂直于转子顶部平面用螺纹固定在铜板(10)上。本发明用于测量球形转子极轴偏角的测量方法，采用非接触的反射式强度调制型光纤传感器测量转子极轴位置偏移信号，采用精密双相锁定放大器处理信号，精度高。

Description

一种用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量转子极轴偏角的磁悬浮装置及其转子极轴偏角的测量方法，特别涉及低温超导球形转子磁悬浮装置及球形转子极轴偏角的测量方法。

背景技术

球形转子在悬浮力的作用下，绕极轴高速旋转而具有一定的角动量，力图保持其自转轴相对惯性空间的方位不变，  这种特性广泛应用在定位定向等系统中。目前测量球形转子的极轴偏角采用光电读取方案，一种是极轴-赤道D型刻线方案，即在转子表面与极轴的交点即球面极点一侧刻划宽约1mm，长约4mm的一组细线，对称于赤道处刻长约10mm，宽约1mm的一组细线，这样的刻线表面对光有漫反射的作用。在球转子顶部极点处和侧面赤道处分别配置光纤传感器。极轴光纤传感器的光点对准转子极点处的刻线区域，输出转子自转轴相对于球腔的位置信号；赤道光纤传感器对准赤道处的脉冲刻线，输出转子转速脉冲信号作为旋转轴位置分离的基准。还有一种是数字式读取方案，在转子赤道处刻制三角形漫反射图谱，由沿赤道分布且相互正交的四个光纤传感器读取漫反射图形，获取角度。这些方法都需要在转子表面即球面上刻制漫反射图形，技术难度较高，且球面对光的反射效果也较差。第二种方法要求刻线对称于赤道刻制，难度更大，且需要使用四个光纤传感器相互正交放置，对安装精度要求较高，且成本较高。

静电悬浮方式是目前广泛应用的一种球形转子悬浮方式，金属的球形转子放置在带有电极的陶瓷球腔内。电极成凹球面形，至少有三对；在电极上接通高电压，由于电极与转子之间的间隙很小，因此便产生相当高的电场强度。在这样高的场强之下，3对电极通过静电感应对转子产生足够大的静电吸力，把球形转子支悬起来。已经悬浮的转子被驱动线圈的旋转磁场带转到额定转速，然后依靠惯性持续自转。通过角度读取系统读取转子极轴相对壳体的位置信息反馈给支承控制回路控制电极电压，使转子极轴始终保持方向不变。

然而静电悬浮是一种不稳定的悬浮方式，静电力是一个发散的吸力，转子任何方向的位移将导致该方向上更大的吸引力，需要敏感元件检测位移，并由控制装置反馈一个调整平衡的力，刚度较低，很小的扰动就会使转子偏移而碰到球腔电极，毁坏转子，因此系统是不稳定的。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，实现球形转子的稳定悬浮，本发明提出了一种低温超导球形转子磁悬浮装置及球形转子极轴偏角的测量方法。本发明超导磁悬浮装置的刚度大大高于现有技术的静电悬浮系统，抗冲击的能力也远强于静电悬浮系统。而且由于处于低温环境，采用磁屏蔽，干扰力矩降低很多，转子能更稳定地悬浮和高速旋转。

本发明超导磁悬浮装置的工作原理是基于超导体的完全抗磁特性——迈斯纳效应，也就是超导体进入超导状态后，外磁场无法贯穿到它的内部。超导体的表面感生了一个无损耗的超导电流，这是由于超导体的电阻为零，同时超导体的磁导率为零，可把它看成为理想的反磁体。在靠近超导体表面，磁场的磁力线是严格平行于表面的。超导电流产生的磁场方向恰好与原来的磁场方向相反，两个磁场相互作用产生支承力，使超导转子悬浮起来。

本发明球形转子低温超导磁悬浮装置包括低温杜瓦、两个超导线圈、两个铌瓦、超导铌球转子、中心柱、超导电机，力矩器，铜板，极轴光纤传感器和转速光纤传感器。低温杜瓦是整个超导磁悬浮装置的最外层，采用低温液体液氦冷却，为超导磁悬浮装置提供4.2K的低温环境。铌瓦内面呈球面，两个铌瓦上下相对布置，形成一个球形腔。中空的铌球转子位于球形腔内，套在中心柱上。转子与球形腔之间的间隙在0.5mm-1.5mm之间。上下两个圆形的超导线圈分别粘连固定在上下两个铌瓦的端面上。中心柱内同轴安装了超导电机和两个力矩器，超导电机位于中部，两个力矩器分别置于超导电机上部和下部，对称布置。圆形的铜板固定在上超导线圈的上面，在铜板的中部用螺纹连接固定了极轴光纤传感器和转速光纤传感器，两个传感器的光轴垂直于超导转子的顶部圆形平面。

超导线圈通入一定的电流后产生磁场，磁力线强迫流入转子和球形腔之间的狭窄的间隙内形成磁压，实现转子的悬浮。当转子稳定悬浮在球形腔的中心位置时，给超导电机通入一定的电流，中心柱内的超导电机驱动超导转子在球形腔中心高速旋转。在高速旋转过程中，转子由于质量不平衡或磁干扰会受到干扰力矩的作用而使转子极轴发生偏移，因此在转子旋转过程中，测量转子极轴偏角的大小及方向，反馈给力矩器，由力矩器进行调节，使转子极轴回到起始的中心线位置。

本发明的超导转子顶部加工成一个小的平面，在平面中心处刻制宽1.5mm-2.5mm，长3.5mm-4mm的矩形漫反射刻线，读取极轴位置信号。该矩形漫反射刻线的一条长边过圆形平面圆心且与一条直径重合，在该直径的一侧靠近圆形平面的边缘处刻制一条长1.5mm-2mm，宽1mm-1.5mm的漫反射刻线，用来读取转子的转速脉冲信号。在距离转子顶端平面1cm处安装两个反射式强度调制型光纤传感器：极轴光纤传感器和转速光纤传感器。极轴光纤传感器对准平面中心处的矩形漫反射刻线，极轴光纤传感器的光轴与转子极轴在一条直线上。转速光纤传感器对准平面边缘处的漫反射刻线，两个光纤传感器的光轴相互平行。由于两个光纤传感器均安装在铌球转子顶部，且光纤直接从本发明磁悬浮装置顶部引出，避免了光纤的大角度弯曲易折断。为了达到高真空的要求，光纤的密封很重要，因此光纤数量应越少越好，我们将两个光纤传感器共用一个激光二极管(LD)光源，这样可以减少一根光纤。

本发明采用非接触式方法测量球形转子极轴偏角。用于测量的两个反射式强度调制型光纤传感器属于外部调制非功能型光纤传感器，即调制环节在光纤外部，光纤本身只起传光作用。由光纤传感器测出转子极轴在顶部xoy平面上的偏移量e以及转子极点与光斑中心的连线与x轴的夹角₀，e是转子极点与光斑中心之间的距离，₀是转子极轴偏移的初始相位。转子球心到转子顶部平面中心点的距离为h，由公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{e}{h}$ 即可求得转子极轴的偏移角度θ。

具体测量步骤如下：首先给共用的激光二极管(LD)光源通电，激光二极管光源发出的红外光经过光纤传输进入分光比为1∶1的Y型光纤耦合器，一部分光经发射光纤传输进入极轴光纤传感器探头，另一部分光经发射光纤进入转速光纤传感器探头。从极轴传感器探头出射的光斑照射在转子顶部平面中心处的漫反射刻线区域，反射回来的光经接收光纤传输被光电探测器接收，将光强信号转化成电压信号。由于从探头射出的光的光束直径很小，可以认为照射到转子表面的光斑照度均匀分布为Φ，这样反射光强的大小就取决于光斑与漫反射区域重合的面积，因此在转子旋转一周的过程中，极轴光纤传感器输出的电压信号是经过转速调制的正弦信号；而转速脉冲传感器在转子旋转一周的过程中输出的电压信号是与正弦信号同周期的脉冲信号，用转速脉冲传感器输出的电压信号来作为正弦信号的参考基准，得到转子极轴在xoy平面内偏移的方向。

两个光电探测器输出的电压信号进入精密双相锁定放大器中进行信号的解算，极轴光纤传感器输出的正弦信号接入锁定放大器的信号输入端，转速光纤传感器输出的脉冲信号先经过放大电路将电压放大到1V-2V之间，满足了参考输入端的电压要求后再接入锁定放大器的参考输入端。经过放大器的处理，放大器输出偏移为e时的电压值V_A和偏移方向相位角V_Q。偏移量e与放大器的输出电压V_A之间的关系由液氦温度下试验标定得到，把放大器的输出电压V_A经过数据采集卡进行A/D转换，由标定的V_A-e曲线可以得出偏移量的大小e。

附图说明

图1是低温超导磁悬浮装置示意图，图中：1超导铌球转子、2铌瓦、3极轴光纤传感器、4转速光纤传感器、5超导线圈、6超导电机、7力矩器、8低温杜瓦、9中心柱，10铜板。

图2是转子信号读取刻线示意图，图2a为正视图，图2b为俯视图。

图3是转子极轴相对传感器光轴有偏角时，极轴光纤传感器和转速光纤传感器的输出电压信号示意图。

图4是光纤传感器测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明低温超导磁悬浮装置包括：  超导铌球转子1、铌瓦2、极轴光纤传感器3、转速光纤传感器4、超导线圈5、超导电机6、力矩器7、低温杜瓦8、中心柱9、铜板10。位于装置最外层的低温杜瓦8采用低温液体液氦冷却，为整个系统提供4.2K的低温环境。上下两个内面呈球面的铌瓦2相对布置，形成球形腔。中空的超导铌球转子1位于球形腔内，套在中心柱9上。中心柱9内同轴安装了超导电机6和两个力矩器7，超导电机6位于中部，两个力矩器7分别置于超导电机6上部和下部，对称布置。上下两个超导线圈5分别粘连固定在上下两个铌瓦2端面上，铜板10固定在上超导线圈的上面，在铜板10的中部用螺纹连接固定了极轴光纤传感器3和转速光纤传感器4，极轴光纤传感器3和转速光纤传感器4的光轴垂直于超导转子的顶部圆形平面。

本发明超导磁悬浮装置的工作过程如下：

正常工作时，两个超导线圈5的电流方向相反：从上往下看，上超导线圈电流方向为顺时针，产生的磁场方向向下；下超导线圈的电流方向为逆时针，产生的磁场方向向上。先给下超导线圈缓慢通入电流，磁力线在转子表面产生的磁压力使转子慢慢悬浮起来，此时接着给上超导线圈通入电流，使转子受到向下的磁压力，这样增大转子刚度，稳定地悬浮在球腔中心。转子稳定地悬浮在球腔中心位置的时候，给中心柱内的超导电机定子绕组通入电流，驱动超导铌球转子1在球腔中绕极轴高速旋转，在高速旋转过程中，转子由于质量不平衡或磁干扰会受到干扰力矩的作用而使转子极轴发生偏移，利用两个强度调制光纤传感器检测转子极轴的位置信息，测量转子极轴偏角的大小及方向，反馈给力矩器，由力矩器进行调节，使转子极轴回到起始的中心位置。

如图2a和图2b所示，在超导铌球转子1顶部平面进行漫反射图谱的刻制，读取转子位置和方向的信息。在超导铌球转子1顶部圆形平面中心处沿着直径方向刻制长4mm，宽约2mm的矩形漫反射刻线201，矩形漫反射刻线201的一条长边与直径重合；同时，在该直径的一侧靠近圆形平面边缘处刻制长1.5mm-2mm，宽1mm-1.5mm的漫反射刻线202。将极轴光纤传感器3安装在转子轴线的延长线上，光纤探头对准平面中心处的漫反射刻线201，获取转子极轴偏移量的大小信息；转速光纤传感器4平行于极轴光纤传感器安装，光纤探头对准漫反射刻线202，作为鉴相信号，获取转子极轴偏移的方向信息。

在对准状态下，超导铌球转子1的极轴与极轴光纤传感器3的光轴重合，光斑203恰好一半落在超导铌球转子1的强反射面上，另一半落在漫反射刻线201上，当超导铌球转子1绕极轴转动一周，极轴光纤传感器3的输出光斑203在超导铌球转子1上的漫反射面积都没有改变，所以极轴光纤传感器3接收的光能一定，其输出电压为一个常值。而转速光纤传感器4出射光形成的光斑204只有落在漫反射刻线202上时才是漫反射，输出低电压，其余时间都落在超导铌球转子1的强反射面上，输出高电压，转子每转一周，光斑204切割漫反射刻线204一次，输出为负脉冲信号。

当超导铌球转子1受到干扰力矩作用时，超导铌球转子1极轴发生偏移，极轴光纤传感器3的输出光斑203落在超导铌球转子1漫反射面上的反射面积发生周期性变化，电压输出也发生相应的变化，为类似正弦信号，如图3所示。

如图4所示，图中粗箭头线表示光纤传输光信号，细箭头线表示电信号传输。极轴光纤传感器3与转速光纤传感器4共用一个光源：激光二极管401。激光二极管401发出的红外光经光纤传输入Y型光纤耦合器402，分光比为1∶1。分光后光纤耦合器402一部分输出光由出射光纤射出形成圆形光斑203照射在超导铌球转子1顶部圆形平面中心处的矩形漫反射刻线201，反射回来的光大部分被接收光纤接收传输给光电探测器PD1403；另一部分输出光由出射光纤射出形成圆形光斑204照射在超导铌球转子1顶部圆形平面边缘处的漫反射刻线202，反射回来的光由接收光纤接收并传输给光电探测器PD2404，光电探测器PD1 403和光电探测器PD2 404分别将接收到的光强信号转换成电压信号。

光纤传感器输出的信号是极其微弱的mV级电压信号，我们采用检测微弱信号的精密双相锁定放大器405来读取光纤传感器输出的电压信号。如图4所示，光电探测器PD2404输出的正弦信号传输入锁定放大器405的信号输入端S端，光电探测器PD1 403输出的脉冲电压信号先经过放大电路406放大到1V-2V之间，然后再传输入锁定放大器405的参考输入端R端；精密双相锁定放大器405输出端输出直流电压V_A和V_Q。V_A是正弦信号的幅值电压，用来表示极轴偏移的大小，V_Q是正弦信号相对脉冲参考信号的相位差，即正弦信号的初始相位，用来表示极轴在xoy平面内偏移的方向。测量前需要对极轴光纤传感器3进行标定，得到极轴偏移量e和精密双相锁定放大器405输出信号幅值V_A的关系以及极轴偏转方向和输出信号相位V_Q的关系。将直流信号电压V_A接入数据采集卡407进行A/D转换等处理，根据标定出的V_A-e关系，将电压V_A转换的数值通过运算得到对应的偏移量的值e。再根据公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{e}{h}$ 计算出转子极轴的偏移角度θ。本发明采用精密双相锁定放大器405进行信号处理，精度有很大提高。

Claims (4)

1.一种用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置，其特征在于主要包括低温杜瓦(8)、两个超导线圈(5)、两个铌瓦(2)、超导铌球转子(1)、超导电机(6)，力矩器(7)、中心柱(9)、铜板(10)、极轴光纤传感器(3)和转速光纤传感器(4)；位于装置最外层的低温杜瓦(8)采用低温液体液氦冷却；两个内面呈球面的铌瓦(2)上下相对布置，形成球形腔，中空的超导铌球转子(1)位于球形腔内，套在中心柱(9)上；中心柱(9)内同轴安装了超导电机(6)和力矩器(7)，超导电机(6)位于中心柱(9)内的中部，力矩器(7)对称布置于超导电机(6)的上部和下部；上下两个超导悬浮线圈(5)分别套装在上下两个铌瓦(2)上，粘连固定；铜板(10)固定在上超导线圈上面，在铜板(10)的中部用螺纹固定了极轴光纤传感器(3)和转速光纤传感器(4)，极轴光纤传感器(3)和转速光纤传感器(4)的光轴垂直于超导转子(1)的顶部圆形平面。

2.按照权利要求1所述的用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置，其特征在于超导铌球转子(1)顶部为一个圆形小平面，在平面中心处刻制了宽1.5mm-2.5mm，长3.5mm-4mm的矩形漫反射刻线(201)，矩形漫反射刻线(201)的一条长边过圆形平面圆心且与一条直径重合，在该直径的一侧靠近圆形平面的边缘处刻制了一条长1.5mm-2mm，宽1mm-1.5mm的漫反射刻线(202)。

3.按照权利要求1或2所述的用于测量球形转子极轴偏角的磁悬浮装置，其特征在于极轴光纤传感器(3)和转速光纤传感器(4)共用一个激光光源。

4.应用权利要求1所述的用于测量球形转子极轴偏角的测量方法，其特征在于测量的步骤如下：

(1)给共用的激光二极管(401)通电，激光二极管(401)发出的红外光经光纤传输照射在超导转子(1)顶部圆形平面上的漫反射刻线区域；

(2)由光电探测器PD1(403)将转速光纤传感器(4)反射回的光强信号转换成电压信号，光电探测器PD2(404)将极轴光纤传感器(3)、反射回的光强信号转换成电压信号；

(3)光电探测器PD2(404)输出的正弦信号传输到精密双相锁定放大器(405)的信号输入端S，光电探测器PD1(403)输出的脉冲信号经放大电路放大到1V-2V之间，传输到精密双相锁定放大器(405)的参考输入端R；

(4)读取精密双相锁定放大器(405)显示屏上的电压数值，对应极轴偏移量e的V_A和偏移方向相位角V_Q，对应着标定的V_A-e曲线，计算出极轴的偏移量e；根据公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{e}{h}$ 计算出极轴的偏移角度θ。

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