CN107014405A - 一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，属于传感器技术领域。本发明的自差分电感式位移传感器包括交流励磁电源电路、传感器传感元件和测量电路。所述的传感器传感元件由铁芯、线圈、衔铁组成，铁芯包括U型、开口相对的上下两部分，衔铁位于上下两个铁芯之间，线圈包括上线圈和下线圈两部分，上线圈由两个电感线圈L1和L2串联，下线圈由电感线圈L3和L4串联，电感线圈L2和L3两端串联后作为输出端。电感线圈L1的自由端接激励信号，电感线圈L4的自由端接地。本发明的传感器采用电感线圈自感原理，在结构形式上采用变气隙式差动结构，提高了系统的精度，减小了测量电路的复杂性。

Description

一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体的，涉及一种电感式位移传感器，尤其涉及一种用于磁轴承系统的自差分电感式位移传感器。
背景技术
传感器是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了整个系统的性能。电感式传感器同其它传感器相比，主要优点有：工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高，能反映0.01um的机械位移，传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输和放大；精度高，线性特性好，高精度的电感式传感器非线性误差可达到0.05％～0.1％；性能稳定，重复性好，在一定的位移范围，输出特性的线性度较好，且比较稳定。
传统的电感式位移传感器，采用自感原理时，需要在测量电路中加入差分环节以提高系统的精度；当采用互感原理构成差动变压器式时，整流电路一般较复杂，所用电子元器件多。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，利用自感原理，在结构形式上构成变气隙式差动结构，提高了系统的精度，减小了测量电路的复杂性。
本发明的一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，包括交流励磁电源电路、传感器传感元件和测量电路。所述的交流励磁电源电路由三角波发生电路和缓冲电路构成；传感器传感元件由线圈在上下两只铁芯上绕制成变气隙式差动结构；测量电路包括放大电路、检波电路和滤波电路。
所述的三角波发生电路产生三角波信号接入缓冲电路，缓冲电路调节三角波的振幅后，通过传感器传感元件接入测量电路中的放大电路，所述的放大电路对信号进行三阶放大后接入检波电路，检波电路中获得信号的峰峰值接入滤波电路，并通过滤波电路获得最终的输出电压值V_out，提供给磁轴承控制系统。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
本发明的传感器采用电感线圈自感原理，在结构形式上采用变气隙式差动结构，提高了系统的精度，减小了测量电路的复杂性。
附图说明
图1为本发明的电感式位移传感器的结构框图。
图2为本发明采用的三角波发生电路结构图。
图3为本发明采用的缓冲电路结构图。
图4为本发明采用的电感式传感元件结构图。
图5为本发明的测量电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。
本发明提供一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，如图1所示，包括交流励磁电源电路1、传感器传感元件2和测量电路3。交流励磁电源电路1包括三角波发生电路和缓冲电路。测量电路3包括放大电路4、检波电路5和滤波电路6。所述的三角波发生电路产生三角波信号接入缓冲电路，缓冲电路调节三角波的振幅后，通过传感器传感元件2接入测量电路中的放大电路，所述的放大电路对信号进行三阶放大后接入检波电路，检波电路中获得信号的峰峰值接入滤波电路，并通过滤波电路获得最终的输出电压值V_out，提供给磁轴承控制系统。
所述的缓冲电路采用BUF634高速缓冲器。
如图2中所示，三角波发生电路采用美国哈里斯公司生产的ICL8038型单片精密函数波形发生器，采用±12V双电源供电，通过电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，改变振荡频率。接通电源时，ICL8038芯片第三管脚产生输出幅度Vp＝V+/3的三角波，振荡频率f为由电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2共同决定。ICL8038芯片第三管脚(ex_detect_1)接图3中所示缓冲电路中的电阻R6的左端，缓冲电路中的滑动变阻器R8调节三角波的振幅，并通过高速缓冲器BUF634(ex_detect_2)接图4中所示传感器传感元件2的a端，所述传感器传感元件2的b端接地。传感器传感元件2的输出信号电压signal_out接图5中所示放大电路4中的运算放大器LM148(U5)的正输入端。放大电路4采用三运放构成的放大电路，通过滑动变阻器R15调节放大电路输出信号的幅值。由于此时信号依然为三角波，需要用峰值整流电路，提取信号的峰峰值，将转子位移转化为与转子位移成线性的直流电压。故信号经放大电路4后接入采用峰值整流电路构成的检波电路5，获得信号的峰峰值；检波之后，信号电压通过滤波电路6滤除高频干扰信号，获得最终的输出电压值V_out，提供给磁轴承控制系统。
所述的检波电路5采用峰值整流电路。
如图4所示，所述的传感器传感元件2由铁芯201、线圈202、衔铁203三部分组成，衔铁203即磁轴承转子。所述的铁芯201包括U型、开口相对的上下两部分，衔铁203位于上下两个铁芯201之间，距离上端铁芯和下端铁芯的距离分别为δ1和δ2。所述的线圈202包括上线圈和下线圈两部分，在上下两只铁芯上绕制成变气隙式差动结构；上线圈由左右两个电感线圈L1和L2串联，下线圈由电感线圈L3和L4串联，并将电感线圈L2和L3两端串联后作为输出端。电感线圈L1、L2、L3和L4的匝数相等，即W1＝W2＝W3＝W4。电感线圈L1的自由端为a端，a端接通过缓冲电路的激励信号电感线圈L4的自由端为b端，b端接地。
初始位置时，衔铁203距上下端两铁芯1的距离相等，即δ1＝δ2＝δ0。此时电感值：
可知L1＝L2＝L3＝L4。根据串联分压的原理，输出信号电压为输入激励的一半，输出电压：
当衔铁203向上移动Δδ距离时，δ1减小，电感L1和L2增大，δ2增大，L3和L4减小，输出信号电压减小，此时，输出电压为：
同理，当衔铁203向下移动Δδ距离时，δ1增大，电感L1和L2减小，δ2减小，L3和L4增大，此时输出电压为：
可知，输出电压与衔铁203位移成线性关系，通过检测输出电压的大小，就可以知道衔铁203即磁轴承转子的位移大小和方向，实现对衔铁位置的差动检测。上述公式中，μ0为真空磁导率；A0为空气隙截面积。
所述的铁芯201材料采用硅钢片，厚度2.5mm。绕制线圈漆包线直径为0.25mm，每个电感的线圈匝数为48匝。

Claims (4)

1.一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，其特征在于：包括交流励磁电源电路、传感器传感元件和测量电路；所述的交流励磁电源电路由三角波发生电路和缓冲电路构成；传感器传感元件由线圈在上下两只铁芯上绕制成变气隙式差动结构；测量电路包括放大电路、检波电路和滤波电路；
所述的三角波发生电路产生三角波信号接入缓冲电路，缓冲电路调节三角波的振幅后，通过传感器传感元件接入测量电路中的放大电路，所述的放大电路对信号进行三阶放大后接入检波电路，检波电路中获得信号的峰峰值接入滤波电路，并通过滤波电路获得最终的输出电压值V_out，提供给磁轴承控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，其特征在于：所述的缓冲电路采用BUF634高速缓冲器；所述的三角波发生电路采用ICL8038型单片精密函数波形发生器，采用±12V双电源供电；所述的检波电路采用峰值整流电路。
3.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，其特征在于：所述的传感器传感元件由铁芯、线圈、衔铁三部分组成，衔铁即磁轴承转子；所述的铁芯包括U型、开口相对的上下两部分，衔铁位于上下两个铁芯之间；所述的线圈包括上线圈和下线圈两部分，在上下两只铁芯上绕制成变气隙式差动结构；上线圈由左右两个电感线圈L1和L2串联，下线圈由电感线圈L3和L4串联，并将电感线圈L2和L3两端串联后作为输出端；电感线圈L1、L2、L3和L4的匝数相等，电感线圈L1的自由端为a端，a端接通过缓冲电路的激励信号U.s，电感线圈L4的自由端为b端，b端接地。
4.根据权利要求3所述的一种用于磁悬浮轴承系统的自差分电感式位移传感器，其特征在于：所述的铁芯材料采用硅钢片，厚度2.5mm；绕制线圈漆包线直径为0.25mm，每个电感的线圈匝数为48匝。
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