CN101140169A - 径向磁轴承集成式差动电感传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置。它包括印刷电路板和传感探头；传感探头为一个磁心骨架上绕制线圈，线圈的两端由引线引出连接至印刷电路板；共有四个传感探头，以周向均布径向安装在一个环形保持架的径向安装孔中，环形保持架与印刷电路板固定连接成一体；印刷电路板为圆盘形，安装于径向磁轴承端部。本发明结构紧凑，占用空间小，抗干扰能力强，信噪比高，灵敏度高，可靠性高，稳定性高。

Description

径向磁轴承集成式差动电感传感装置

技术领域

本发明涉及一种电感位移传感装置，特别涉及一种应用于径向电磁轴承的位移传感装置。

背景技术

位移信号传感器是电磁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整个系统的性能。电磁轴承系统对位移传感器的第一个要求是非接触式的。从理论上看，利用电容、电感、光敏、光栅、霍尔效应等声波均可实现此目的。电磁轴承对位移传感器的要求还有：能真实地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、抗干扰能力以及精确的重复性，同时也要求有一定的频率响应范围。目前，磁轴承系统主要是应用分离式电涡流位移传感器，测量的都是转子表面的移动情况，只能间接地反映转子中心的位置，当转子转动时，反映的是转子涡动的情况。在电磁轴承系统中应用分离式电涡流位移传感器存在很多不足：信噪比比较低，成本高，灵敏度不高，要提高灵敏度线性范围受限制。

另一种应用较广的是电感式位移传感器。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑，占用空间小，抗干扰能力强，信噪比高，灵敏度高，可靠性高，稳定性高的径向磁轴承集成式差动电感传感装置。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的理论基础是介于电涡流和电感传感器之间的，是一种利用线圈自感原理制成的集中电感参数位移传感器。本发明可以将输入的位移物理量，经过转换成为相应的电压变化，即实现非电量到电量的转换。本发明的优点是：结构紧凑，占用空间小；抗干扰能力强；信噪比高；灵敏度高；可靠性高；稳定性高；工程上应用简单；并且可以消除使用传统电涡流位移传感器引起的安装位置和转子形状误差现象。

本集成式差动电感位移传感器，其机械结构包括传感器探头的磁心骨架、隔离套、环形保持架，印刷电路板。印刷电路板的外形为圆形环状结构，板上有1个电源及信号输出插口，四周有数个小孔用于安装固定；PCB板的中间安装环形保持架；印刷电路板和环形保持架之间采用轻度过盈机械配合，外加不锈钢螺丝固定。环形保持架有四个安装孔，每个安装孔中装有磁心骨架、线圈、及隔离套。这种结构非常紧凑，占用空间小，便于安装、拆卸，同时便于机械加工；

本发明涉及之集成式差动电感位移传感器，其电路特征在于：它包括三部分，分别为交流电桥电路、AD598主电路、直流增益电路。电磁轴承转子的位移这一非电量信号经过交流电桥电路转换成电压信号，此信号输入AD598主电路经过一定的处理输出信号，经过直流增益电路进行信号的放大(也可以缩小)后，得出与转子位移大小和方向成对应关系的直流电压信号。

上述的传感器探头的磁芯骨架采用铁氧体材料烧结成形后作为磁芯材料，隔离套采用良导磁材料，环形保持架为有机高分子复合材料制品，优点：非导磁、耐高温、抗腐蚀，印刷电路板以玻璃纤维和环氧树脂为基体构成的。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置，包括印刷电路板和传感探头，其特征在于

1)、所述的传感探头为一个磁心骨架上绕制线圈，线圈的两端由引线引出连接至印刷电路板，

2)、共有四个所述的传感器探头，以周向均布径向安装在一个环形保持架的径向安装孔中。

3)、所述的环形保持架与所述的印刷电路板固定连接成一体，

4)、所述的印刷电路板为圆盘形，安装于径向磁轴承端部。

上述的传感探头外面套装着隔离套后固定安装在环形保持架的安装孔中；所述的印刷电路板上有周向均布的四个引线孔，四个传感探头的引线分别从该四个引线孔引出。

上述的印刷电路板上的电路结构是：

1)、四个传感探头的线圈分别成为2个方向的两个交流电桥电路的四个电感；

2)、所述的交流电桥电路连接一个AD598主电路，AD主电路连接一个直流增益电路，直流增益电路输出与转子位移成比例的直流电压。

上述的交流电桥电路由2个对称的电感、2个电阻和一个调零电位器构成；两个电感串联，两个电阻串联而与两个电感连接成环，两个电阻之间串联调零电位器，一个电感的端头引线A、两个电感间的引线C和调零电位器的调整针引线B连接所述的AD598主电路。

上述的AD598主电路的电路结构是：一个AD598芯片的LEV1端与LEV2端间串接的两个电阻，FREQ1端与FREQ2端间串接一个电容，B1端与B2端间串接一个电容，-Vs端接-15V电源，+Vs端接+15V电源，-Vs端与+Vs端间串接两个电容而该两个电容中间接地，SIG REF端接地，SIG OUT端与FEEDBACK端间串接两个电阻，FEEDBACK端与OUTFILT端间串接一个电容，A1FILT端与A2FILT端间串接一个电容，Exc1端经电容引线D、Vb端引线E和Va端引线F分别对应连接所述的交流电桥电路的引线A、引线B和引线C，SIG OUT端引线G连接所述的直流增益电路。

上述的直流增益电路由一个运算放大器、三个电阻、一个电位器和一个电容构成方向比例放大器，而由一个运算放大器构成电压跟随器，所述的反向比例放大器的输入端引线H连接所述的AD598主电路的引线G，所述的比例放大器的输出端连接所述的电压跟随器的输入端，所述的电压跟随器的输出端K输出与转子位移成比例的直流电压。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：电磁轴承转子的位移这一非电量信号经过交流电桥电路转换成电压信号，此信号经过AD598构成的信号处理主电路，可以得到与转子位移成比例的高精度、高重复性的直流电压，但其精度受气隙的大小影响，在大气隙情况下的测量灵敏度可能会受到一定的约束，而本发明中设计的直流增益电路可以消除这一不利影响，使本发明在任何情况下均可以获得适合的灵敏度。印刷电路板既提供电路安装的空间，也是环形保持架的固定部件。电路板的外圈几何尺寸加工精度要求较高，一般应使得其在装配后与相应的磁轴承中心达到应用的要求；同时，环形保持架与印刷电路板之内圈之间也应达到轻度过盈机械配合程度；为确保满足上述安装条件，本发明设计中可外加不锈钢螺丝固定。即，最终达到本发明之传感器测量中心和其中的悬浮转子中心重叠，可最大限度降低电路调零过程的难度。

一、附图说明

图1为本发明安装于磁轴承端部示意图。

图2为本发明机械结构图探头连线图。

图3为本发明探头连线图。

图4为本发明系统电路框图。

图5为本发明交流电桥电路图。

图6为本发明AD598主电路图。

图7为本发明直流增益电路图。

图中，印刷电路板1；环形保持架2；引线孔3；隔离套4；磁心骨架5；引线6；线圈(漆包线)7。

二、具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：本实施例的机械结构由传感器探头(磁心骨架5，线圈7)、隔离套4、环形保持架2，印刷电路板1组成。厚度为1.5mm的以玻璃纤维和环氧树脂为基体的印刷电路板外形是圆形结构，将高度为7mm的有机高分子复合材料的环形保持架3中心与印刷电路板1中心对准，并用螺丝或工程粘合剂将环形保持架2和印刷电路板1固定。在铁氧体材料加工成形后烧结得到的磁心骨架5上，用线径为0.06mm QZ型高强度漆包线绕制350匝成线圈7。线圈7外加绝缘纸，并加装隔离套4。在装配之前，应采取必要措施，确认环形保持架2上的4个线圈7均符合相关电气要求，同时确保每个线圈7内部未出现短路、断路现象；线圈7与外部也同样未出现短路和断路现象；用DL-6243LC测试仪测量每个线圈7的参数(电阻值，电感值)；将线圈7装配在各个磁心骨架5上，各磁心骨架5上的线圈7连线如图3所示。图3是磁心骨架5及线圈7和连线6示意图，隔离套4上其他3个探头也有相似的连线。各线圈7的连线6引出为1mm铜丝，每个方向(自由度)有4根引线6接头，每两个为一个电感线圈的引出线。4个探头分别为2个方向(自由度)上的交流电桥组成之4个电感。直径4 mm的磁心骨架5安装在于环形保持架2的安装孔内，磁心骨架5与安装孔之间是隔离套4。隔离套4的作用是屏蔽磁场。

本实施例的印刷电路板1电路结构参见图4，一个AD598主电路6连接一个交流电桥电路5和一个直流增益电路7。参见图1，印刷电路板1安装在径向磁轴承8的端部.

本实施例的交流电桥电路5如图5所示。交流电桥电路5带有调零电位器W1，用于平衡点(电路零点)的调整。给线圈施加一个高频激励信号，激励信号是由Analog Devices公司的传感器专用芯片AD598内部的低失真正弦波振荡器其及输出放大器产生的。AD598内部可产生频率为20Hz到20kHz的正弦信号，此信号输出的幅值为固定±11v。调节电容C12的大小可以改变激励信号的频率。本实施例中，为了消除两自由度之间的差拍干扰，2个方向(自由度)上电感线圈共用同一激励源。当交流电桥达到平衡时，在输出点没有信号被检出。而当磁悬浮轴承中的悬浮转子位移发生变化而导致电感线圈的自感变化时，引起交流电桥的平衡失效，此时在输出点可以检测到相应的转子位置电压信号。该位置信号经过AD598处理即得到与悬浮转子位移成比例的电压信号。AD598是一款高性能的单片式线性位移差动变压器(LVDT)信号调节专用芯片，集成了激励信号发生器、信号解调、放大、温度补偿等电路。在本实施例中，则将其用于对交流电桥的不平衡输出进行处理。利用AD598的高集成度特点，使得利用该芯片设计的电感位移传感器测量电路结构非常紧凑。AD598主电路如图6所示，D点是主电路提供高频激励信号的输入点，E、F接受来自交流电桥电路的输出信号，G为信号输出口。电阻R₁₄、R₁₁、C₁₂决定输出信号的频率。为防止芯片电路振荡，电容C₁₃、C₁₄为芯片的电源滤波电容。电容C11为交流激励信号的隔直电容，同时有一定的限幅作用。电阻R₁₄、R₁₆为输出的匹配电阻，由输出性能决定的。经过AD598构成的信号处理主电路，可以得到与转子位移成比例的高精度、高重复性的直流电压，当测量灵敏度不能满足要求时，可以利用后接的直流增益电路进行适当的补偿，以改变传感器的灵敏度。直流增益电路如图7所示，它由反向比例放大器(由电阻R₃₁₁、电阻R₃₁₂、电阻R₃₁₃，电容C₃₁₁，电位器W₃₁₁，运算放大器U_311A组成)和电压跟随器(由运算放大器U_311B组成)组成。电阻R₃₁₁，电位器W₃₁₁，电阻R₃₁₃构成增益的调整环节，电容C₃₁₁防止振荡，电阻R₃₁₂为平衡电阻。电压跟随器提高电路的带载能力。J点通过R₃₁₁，R₃₁₃，W₃₁₁过在1点处获得适当的电压，电压经由电压跟随器从K输出。电压跟随器的输出信号是与转子位移大小和方向成比例关系的直流电压信号。

Claims (6)

1.一种径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置，包括印刷电路板(1)和传感探头，其特征在于

a.所述的传感探头为一个磁心骨架(5)上绕制线圈(7)，线圈(7)的两端由引线(6)引出连接至印刷电路板(1)，

b.共有四个所述的传感器探头，以周向均布径向安装在一个环形保持架(2)的径向安装孔中。

c.所述的环形保持架(2)与所述的印刷电路板(1)固定连接成一体，

d.所述的印刷电路板(1)为圆盘形，安装于径向磁轴承(8)端部。

2.根据权利要求1所述的径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置，其特征在于所述的传感探头外面套装着隔离套(4)后固定安装在环形保持架(2)的安装孔中；所述的印刷电路板(1)上有周向均布的四个引线孔(3)，四个传感探头的引线(6)分别从该四个引线孔(3)引出。

3.根据权利要求1所述的径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置，其特征在于所述的印刷电路板(1)上的电路结构是：

1)、四个传感探头的线圈(7)分别成为2个方向的两个交流电桥电路(9)的四个电感(SL1、SL2)

2)、所述的交流电桥电路(9)连接一个AD598主电路(10)，AD主电路(10)连接一个直流增益电路(11)，直流增益电路(11)输出与转子位移成比例的直流电压。

4.根据权利要求3所述的径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置，其特征在于所述的交流电桥电路(9)由2个对称的电感(SL1、SL2)、2个电阻(R12、R13)和一个调零电位器(W1)构成；两个电感(SL1、SL2)串联，两个电阻(R12、R13)串联而与两个电感(SL1、SL2)连接成环，两个电阻(R12、R13)之间串联调零电位器(W1)，一个电感的端头引线A、两个电感间的引线C和调零电位器的调整针引线B连接所述的AD598主电路(10)。

5.根据权利要求3所述的径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置，其特征在于所述的AD598主电路(10)的电路结构是：一个AD598芯片(U1)的LEV1端与LEV2端间串接的两个电阻(R15、R11)，FREQ1端与FREQ2端间串接一个电容(C12)，B1端与B2端间串接一个电容(C15)，-Vs端接-15V电源，+Vs端接+15V电源，-Vs端与+Vs端间串接两个电容(C13、C14)而该两个电容(C13、C14)中间接地，SIG REF端接地，SIG OUT端与FEEDBACK端间串接两个电阻(R16、R14)，FEEDBACK端与OUTFILT端间串接一个电容(C17)，A1FILT端与A2FILT端间串接一个电容(C16)，Exc1端经电容(C11)引线D、Vb端引线E和Va端引线F分别对应连接所述的交流电桥电路(9)的引线A、引线B和引线C，SIG OUT端引线G连接所述的直流增益电路(7)。

6.根据权利要求5所述的径向磁轴承集成式差动电感位移传感装置，其特征在于所述的直流增益电路(11)由一个运算放大器(U311A)、三个电阻(R311、R312、R313)、一个电位器(W311)和一个电容(C311)构成方向比例放大器，而由一个运算放大器(U311B)构成电压跟随器，所述的反向比例放大器的输入端引线H连接所述的AD598主电路(6)的引线G，所述的比例放大器的输出端连接所述的电压跟随器的输入端，所述的电压跟随器的输出端K输出与转子位移成比例的直流电压。

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