CN101299001B - 基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感装置及在线测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤光栅磁力轴承电磁力传感装置及在线测量系统，属于光纤光栅电磁力传感技术领域，它由L型导磁弹性元件1以及封装在弹性元件槽内的光纤光栅2、磁力轴承定子4、磁力轴承转子5组成。将L型弹性元件凸起部分粘接在磁力轴承定子4磁极底部的凹槽内，其余部分悬在气隙中，形成悬臂结构。测量时宽谱光源将一定带宽的光通过光传输与转换部分入射到光纤光栅电磁力传感装置中，该装置中光纤光栅2由于应变发生波长偏移时，根据光纤光栅的波长选择性作用，将需要的光被反射回来，再通过光传输与转换部分送入到波长解调模块，波长解调模块测出光纤光栅的反射波长变化，将波长数据通过信号采集电路送至计算机，通过相应程序将波长换算成应变并推算出电磁力，实现电磁力的记录和显示。本发明适用于电磁力的多点分布式测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅电磁力传感技术领域，特别用于电磁力的多点分布式测量和在线检测。
技术背景
磁力轴承是一种高性能机电一体化产品，主要由轴承定子、转子、位移传感器、控制系统、功率放大器等部分组成。磁力轴承利用可控电磁力将转子悬浮在空间，使转子与定子之间没有任何机械接触。与传统轴承(滚动或滑动轴承)相比，它具有无接触、无磨损、长寿命、高转速、无需润滑和密封，低功耗，高精度，支承特性可控可调等优点，可以广泛应用于卫星姿态控制、磁悬浮飞轮电池、高速电主轴、低温透平膨胀机、离心压缩机等军事和工业领域。
由于电流控制的磁悬浮转子系统具有本质上的开环不稳定性，控制系统必须根据转子的偏心不断调节定子线圈中的电流，在定子与转子之间产生相应的电磁力，实现转子的稳定悬浮和旋转。同时，由于本质上的开环不稳定性，转子的悬浮位置不断向中心位置调节，不同时刻转子的偏心使得电磁力呈现不同的空间分布，而磁性材料本身的磁导率、温度特性、边缘效应、磁耦合等都使电磁力的空间分布具有强烈的非线性特点，即在磁力轴承运行过程中，电磁力的分布在空间中的每一点都是不同的。因此，磁力轴承的电磁力具有明显的时变、空间分布和非线性特点，是影响磁力轴承性能的重要参数之一。目前磁力轴承的电磁力测量多采用压电式拉/压型力传感器，测量时磁力轴承的转子必须与传感器探头接触，传感器后端的弹簧或弹性膜片在转子偏心的挤压(拉伸)下变形，导致传感器中的压电元件产生与拉/压力呈线性关系的电压，从而测得拉/压力的量值。由于转子必须与拉/压型力传感器的探头接触，因此拉/压型力传感器仅能在离线时进行电磁力的静态测量，无法获得磁悬浮转子在旋转状态下的电磁力分布；磁力轴承定子/转子工作气隙仅0.3mm左右，普通压电式拉/压型力传感器难以实现多点布局进行电磁力的多点分布式测量，因此开发体积小、抗电磁干扰、非接触的电磁力传感器是解决磁力轴承电磁力在线测量的关键问题。
发明内容
本发明目的是：为克服现有磁力轴承的电磁力测量传感器的不足，本发明提供一种基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感装置及在线测量系统，该系统利用光纤光栅对电磁力导致的应变的敏感性，将电磁力的变化转换为传感装置中光纤光栅的波长偏移，在线测量磁力轴承的电磁力，揭示磁力轴承运行状态下磁力的变化规律，为研究磁力轴承动态性能与磁力的关系，磁力轴承及其他磁悬浮转子系列产品的研制、开发和生产奠定基础。
本发明的有益效果是：该技术具有抗电磁干扰、稳定性好、一纤多测点(多栅)、易嵌入、高分辨率、简单耐用等优点。
本发明所采用的技术方案是：提供一种基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感装置及在线测量系统。其中，基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感装置通过光纤光栅波长偏移反映磁力轴承电磁力的变化，实现电磁力的非接触在线测量。传感装置由L型导磁弹性元件1、光纤光栅2、磁力轴承定子4和磁力轴承转子5组成。L型导磁弹性元件1的中轴线上刻有一道细槽3，通过粘贴方式将光纤光栅2封装在此细槽3内。安装方式：在磁力轴承定子4磁极底部刻有轴向凹槽，将L型导磁弹性元件1的前端凸起部分粘接在磁力轴承定子4的磁极凹槽内，其余部分悬在磁力轴承定子4与磁力轴承转子5之间的气隙中(以下简称气隙)，形成悬臂结构。光纤光栅2位于悬臂部分的根部。L型导磁弹性元件1的悬臂部分在不同电磁力作用下会朝向磁力轴承定子4或磁力轴承转子5产生弯曲变形，凸起部分为悬臂部分朝向定子方向的弯曲变形预留了空间，保证悬臂部分不与磁力轴承定子4接触；凸起部分的厚度小于气隙厚度，确保悬臂部分朝向转子发生弯曲变形时不与磁力轴承转子5产生接触，即确保非接触在线测量。
基于光纤光栅的磁力轴承电磁力在线测量系统包括：宽谱光源、光传输与转换部分、光纤光栅电磁力传感装置、波长解调模块、信号采集电路和计算机。工作原理是：当宽谱光源将一定带宽的光，通过光传输与转换部分入射到光纤光栅电磁力传感装置中，光纤光栅电磁力传感装置中的L型导磁弹性元件1受电磁场作用，表面上产生电磁力，该电磁力使L型导磁弹性元件1的悬臂部分产生弯曲变形和轴向应变。弯曲变形一方面使悬臂部分产生物理伸长或缩短从而导致光纤光栅2的周期变化，另一方面由于光弹效应，也导致封装在细槽内光纤光栅2有效折射率的变化，两者均使光纤光栅2的波长发生偏移，波长偏移量与光栅处的轴向应变呈线性关系。因此，可以通过光纤光栅的波长偏移量反映电磁力引起的弹性元件应变的变化，以检测电磁力的变化。
宽谱光源将一定带宽的光通过光传输与转换部分入射到光纤光栅电磁力传感装置中，该装置中光纤光栅2由于应变发生波长偏移时，根据光纤光栅的波长选择性作用，将需要的光反射回来，再通过光传输与转换部分送入到波长解调模块，波长解调模块测出光纤光栅的反射波长变化，将波长数据通过信号采集电路送至计算机，通过相应程序将波长换算成应变并推算出电磁力，实现电磁力的记录和显示。
附图说明：
图1是基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感装置结构图。
图2是L型导磁弹性元件及镶嵌光纤光栅
图3是基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感装置剖面图
图4是基于光纤光栅的磁力轴承电磁力在线测量系统原理框图。
其中附图：1-L型导磁弹性元件、2-光纤光栅、3-L型导磁弹性元件中轴线细槽、4-磁力轴承定子、5-磁力轴承转子
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感装置通过光纤光栅波长偏移反映磁力轴承电磁力的变化，实现磁力的非接触在线测量。传感装置由L型导磁弹性元件1、光纤光栅2、磁力轴承定子4和磁力轴承转子5组成。安装方式为L型导磁弹性元件1的中轴线上刻有一道细槽3，通过粘贴方式将光纤光栅2封装在此细槽3内。在磁力轴承定子4磁极底部刻有轴向凹槽，将L型导磁弹性元件1的前端凸起部分粘接在磁力轴承定子4的磁极凹槽内，其余部分悬在定子与转子之间的气隙(以下简称气隙)中，称为悬臂部分。L型导磁弹性元件1的悬臂部分在不同电磁力作用下会朝向磁力轴承定子4或磁力轴承转子5产生弯曲变形，L型导磁弹性元件1的凸起部分为悬臂部分朝向定子方向的弯曲变形预留了空间，保证悬臂部分不与磁力轴承定子4接触；L型导磁弹性元件1的凸起部分的厚度小于气隙厚度，确保悬臂部分朝向转子发生弯曲变形时不与磁力轴承转子5产生接触，即确保非接触在线测量。
基于光纤光栅的磁力轴承电磁力在线测量系统包括基于光纤光栅的电磁力传感装置、宽谱光源、光传输与转换部分、光纤光栅波长解调模块、信号采集电路和计算机。当磁力轴承运行时，气隙、线圈电流、转子转速等发生变化，导致磁力轴承定子4与磁力轴承转子5之间的电磁场及电磁力发生变化。在电磁场作用下，L型导磁弹性元件1的表面上产生电磁力，该电磁力使L型导磁弹性元件1的悬臂部分产生弯曲变形和轴向应变。弯曲变形一方面使悬臂部分产生物理伸长或缩短导致光纤光栅2的周期变化，另一方面由于光弹效应，也导致封装在细槽内光纤光栅2有效折射率的变化，两者均使光纤光栅2的波长发生偏移，波长偏移量与光栅处的轴向应变呈线性关系。宽谱光源将一定带宽的光通过光传输与转换部分入射到光纤光栅2中，当光纤光栅2由于应变发生波长偏移时，根据光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再通过光传输与转换部分送入波长解调模块测出光纤光栅的反射波长变化，波长数据通过采集电路至计算机，通过相应程序将波长换算成应变并推算出电磁力，实现电磁力的记录和显示。
Claims (2)
1.基于光纤光栅磁力轴承电磁力传感装置，其特征在于：该传感装置由L型导磁弹性元件(1)、光纤光栅(2)、磁力轴承定子(4)和磁力轴承转子(5)组成；安装方式为L型导磁弹性元件(1)的中轴线上刻有一道细槽(3)，通过粘贴方式将光纤光栅(2)封装在此细槽(3)内；在磁力轴承定子(4)磁极底部刻有轴向凹槽，将L型导磁弹性元件(1)的前端凸起部分粘接在磁力轴承定子(4)的磁极凹槽内，其余部分悬在磁力轴承定子(4)与磁力轴承转子(5)之间的气隙中形成悬臂部分；L型导磁弹性元件(1)的悬臂部分在不同电磁力作用下会朝向磁力轴承定子(4)或磁力轴承转子(5)产生弯曲变形，L型导磁弹性元件(1)的凸起部分为悬臂部分朝向定子方向的弯曲变形预留了空间，保证悬臂部分不与磁力轴承定子(4)接触；L型导磁弹性元件(1)的凸起部分的厚度小于气隙厚度，确保悬臂部分朝向转子发生弯曲变形时不与磁力轴承转子(5)产生接触，即确保非接触在线测量；利用传感装置中的光纤光栅波长偏移探测电磁力导致的弹性元件的轴向应变。
2.基于光纤光栅的磁力轴承电磁力传感在线测量系统，其特征在于：该系统包括宽谱光源、光传输与转换部分、如权利要求1所述的基于光纤光栅磁力轴承电磁力传感装置、波长解调模块、信号采集电路和计算机；当宽谱光源将一定带宽的光通过光传输与转换部分入射到如权利要求1所述的基于光纤光栅磁力轴承电磁力传感装置中，该传感装置中光纤光栅(2)由于应变发生波长偏移时，根据光纤光栅的波长选择性作用，将需要的光反射回来，再通过光传输与转换部分送入到波长解调模块，波长解调模块测出光纤光栅的反射波长变化，将波长数据通过信号采集电路送至计算机，通过相应程序将波长换算成应变并推算出电磁力，实现电磁力的记录和显示。
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