CN107014406A - 一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器 - Google Patents

一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器 Download PDF

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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式电涡流位移传感器，属于传感器技术领域。本发明包括传感器探头、同轴电缆和测量电路，所述的传感器探头的探头线圈采用对称的差动式结构，通过同轴电缆连接到振荡电路上，作为振荡电路的工作电感；所述的振荡电路根据哈特莱原理，在三极管发射极与两的工作电感连接节点之间加入电容C4。仅仅依靠一路振荡信号就实现了对称两个探头对位移的检测，并进行差分，抑制了共模干扰，大大减少了测量电路的元器件，简化了电路结构。

Description

一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体的，涉及一种电涡流位移传感器，尤其涉及一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器。
背景技术
磁轴承是一种新兴的非接触式支撑装置，通过电磁力把转子非接触的悬浮，从根本上克服了机械轴承的摩擦问题，具有无需润滑、高转速、低功耗、长寿命、高精度及对振动可实现主动控制等突出优点。
磁轴承必须实时精确的检测磁悬浮气隙的大小，即检测转子轴心的运动状态，实现高精度非接触测量。电涡流位移传感器具有结构简单，体积较小，灵敏度高，测量的线性范围大，动态响应范围较宽等一系列优点，在磁轴承系统中得到广泛应用。
测量电路中高频振荡电流通过同轴电缆流入探头线圈，被测导体上的电涡流产生交变磁场，此交变磁场的方向与原磁场方向相反，用探头线圈阻抗的变化来反映被测体的涡流效应。探头线圈等效阻抗的变化与电涡流强度、被测体的导电率、磁导率、几何尺寸、激磁电流、频率及探头线圈与被测体之间的距离等有关。当线圈材料、几何形状、尺寸和被测导体材料确定时，则电涡流效应只与传感器与被测导体间的距离有关。通过测量电路可将被测导体相对于探头之间的距离变化转换成电压(电流)变化。但是，目前国内外电涡流传感器的电路设计方案中，分立元器件多，使得电路整体结构大，无法满足小型化的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器，能够大大减少测量电路分立元件的个数，满足工业对传感器提出的小型化的要求。
本发明的一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器，包括传感器探头、同轴电缆和测量电路。所述的传感器探头通过同轴电缆连接测量电路，将线圈电感接入测量电路实现差分信号的检测。
所述的传感器探头的探头线圈采用对称的差动式结构，通过同轴电缆连接到振荡电路上，作为振荡电路的工作电感；所述的传感器探头包括支座、电路板焊盘和探头线圈骨架，所述的支座和电路板焊盘均为圆环型，电路板焊盘通过螺钉固定在支座上，并通过同轴电缆与测量电路连接，实现将传感器探头上电感线圈接入测量电路；四个探头线圈骨架固定在所述的电路板焊盘的圆周，呈十字交叉位置，探头线圈骨架的检测面所在的圆心与支座的圆心同轴；所述的探头线圈骨架包括检测面、过渡面和定位面，所述的检测面为具有绕线槽的圆盘结构，绕线槽里通过自动绕线机绕制漆包线形成探头线圈，探头线圈通过过渡面上的走线槽引出漆包线，焊接在定位面上的焊接引脚上；所述的定位面垂直于所述的检测面；检测面的一面设置四个焊接引脚，另一面用于连接在电路板焊盘上。
所述的测量电路包括电压调节电路、振荡电路、检波电路和放大偏置电路；电压调节电路调节振荡电路产生正弦波的峰峰值；当传感器探头的探头线圈电感接入振荡电路，产生固定频率固定振幅的正弦波；正弦波信号接入检波电路，经过检波电路后，正弦波信号就变成了与转子位移和方向有关直流电压信号，最后经过放大偏置调节电路，当转子移动范围确定时，通过放大偏置调节电路，使最终输出电压在确定的范围。
所述的振荡电路包括工作电感L1、工作电感L2、工作电容C1、工作电容C4和三极管T，工作电感L1一端接三极管T的发射极，一端接三极管的集电极；工作电感L2一端接三极管的发射极，一端接三极管的基极；工作电容C1一端接三极管的集电极，一端接三极管的基极；在三极管发射极与两个工作电感连接节点之间加入电容C4。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明仅仅依靠一路振荡信号就实现了对称两个探头对位移的检测，并进行差分，抑制了共模干扰，大大减少了测量电路的元器件，简化了电路结构。
附图说明
图1为本发明提供的电涡流位移传感器的系统结构框图。
图2为本发明的探头线圈骨架结构示意图。
图3为本发明的传感器探头结构示意图。
图4为哈特莱振荡电路原理图。
图5为本发明的测量电路图。
图中：
1.被测导体；2.传感器探头；3.同轴电缆；4.测量电路；201.支座；
202.电路板焊盘；203.探头线圈骨架；204.检测面；205.过渡面；206.定位面；
207.走线槽；208.焊接引脚。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器，采用电涡流位移传感器的原理，主要包括传感器探头2、同轴电缆3和测量电路4，如图1所示，传感器探头2和测量电路4之间通过同轴电缆3连接，传感器探头2接收被测导体1即磁悬浮轴承系统转子的位移信号，通过同轴电缆3接入测量电路4中，当转子位移发生变化时，引起传感器探头2中的探头线圈阻抗变化，最终造成测量电路4中的输出电压信号发生变化。通过测量电路4中输出电压信号的变化，就能知道转子的位移和方向。
所述的传感器探头2的线圈采用对称的差动式结构，通过同轴电缆3连接到振荡电路上，作为振荡电路的工作电感。如图3所示，所述的传感器探头2包括支座201、电路板焊盘202和探头线圈骨架203，所述的支座201和电路板焊盘202均为圆环型，电路板焊盘202通过螺钉固定在支座201上，并通过同轴电缆3与测量电路4连接，实现将传感器探头2上探头线圈接入测量电路4。四个探头线圈骨架203固定在所述的电路板焊盘202的圆周，呈十字交叉位置，探头线圈骨架203的检测面204所在的圆心与支座201的圆心同轴。所示的探头线圈骨架203，如图2所示，包括检测面204、过渡面205和定位面206，所述的检测面204为具有绕线槽的圆盘结构，绕线槽里通过自动绕线机绕制漆包线形成探头线圈，探头线圈通过过渡面205上的走线槽207引出，焊接在定位面206上的焊接引脚208上。所述的定位面206垂直于所述的检测面204。检测面204的一面设置四个焊接引脚208，另一面用于连接在电路板焊盘202上。所述探头线圈的匝数根据设计的电感和电阻要求进行绕制。所述的支座7采用材料牌号7075的铝材料。
所述的测量电路4包括电压调节电路、振荡电路、检波电路和放大偏置电路。
振荡电路是整个测量电路4的最重要部分，振荡电路采用基于哈特莱振荡原理的电感三点式振荡电路，用来产生固定频率的正弦波，如图5所示，所述的电感三点式振荡电路包括电感L1、电感L2、电容C1和三极管T，工作电感L1一端接三极管T的发射极，一端接三极管的集电极；工作电感L2一端接三极管的发射极，一端接三极管的基极；工作电容C1一端接三极管的集电极，一端接三极管的基极。本发明中的振荡电路基于所述的哈特莱振荡原理，在三极管发射极与两的工作电感连接节点之间加入一272电容，即电容C4。同时，工作电感L1和工作电感L2初始值为16uH，电容C1为560pF，这样可以产生频率约1.2MHz频率的正弦波。当转子位移改变时，造成工作电感L1和工作电感L2的阻抗变化，故造成产生正弦波的幅值发生变化，通过检测正弦波的幅值变化，就可以知道转子的位移。由于电感L1和电感L2是对称的两个探头电感，转子位移变化时，二者阻抗变化是相反的，故可以实现差动检测。
所述的电容C1选用高频特性好且耐高温的瓷片电容。三极管T选用高频小功率晶体三极管2N2222。
电压调节电路通过调节电阻R1的电阻值，可以调节振荡电路产生正弦波的峰峰值。当电阻R1的电阻值确定以后，传感器探头2的线圈电感接入振荡电路，产生固定频率固定振幅的正弦波。实现差动后的正弦波信号接入由二极管D1、电容C5、电阻R7、R8和二极管D2构成的检波电路。然后经过整流电路将正弦信号变为直流电压，经过检波电路后，正弦波信号就变成了与转子位移和方向有关直流电压信号，最后经过放大偏置调节电路，当转子移动范围确定时，通过调节滑动变阻器R10和R12，可以使最终输出电压在一确定的范围。

Claims (5)

1.一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器，其特征在于：包括传感器探头、同轴电缆和测量电路，传感器探头和测量电路之间通过同轴电缆连接，传感器探头接收被测导体的位移信号，通过同轴电缆接入测量电路中，当转子位移发生变化时，引起传感器探头中的探头线圈阻抗变化，最终造成测量电路中的输出电压信号发生变化，通过测量电路中输出电压信号的变化，就能知道转子的位移和方向。
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式电涡流位移传感器，其特征在于：所述的传感器探头的探头线圈采用对称的差动式结构，通过同轴电缆连接到振荡电路上，作为振荡电路的工作电感；所述的传感器探头包括支座、电路板焊盘和探头线圈骨架，所述的支座和电路板焊盘均为圆环型，电路板焊盘通过螺钉固定在支座上，并通过同轴电缆与测量电路连接，实现将传感器探头上电感线圈接入测量电路；四个探头线圈骨架固定在所述的电路板焊盘的圆周，呈十字交叉位置，探头线圈骨架的检测面所在的圆心与支座的圆心同轴；所述的探头线圈骨架包括检测面、过渡面和定位面，所述的检测面为具有绕线槽的圆盘结构，绕线槽里通过自动绕线机绕制漆包线形成探头线圈，探头线圈通过过渡面上的走线槽引出漆包线，焊接在定位面上的焊接引脚上；所述的定位面垂直于所述的检测面；检测面的一面设置四个焊接引脚，另一面用于连接在电路板焊盘上。
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式电涡流位移传感器，其特征在于：所述的测量电路包括电压调节电路、振荡电路、检波电路和放大偏置电路；电压调节电路调节振荡电路产生正弦波的峰峰值；当传感器探头的探头线圈电感接入振荡电路，产生固定频率固定振幅的正弦波；正弦波信号接入检波电路，经过检波电路后，正弦波信号就变成了与转子位移和方向有关直流电压信号，最后经过放大偏置调节电路，当转子移动范围确定时，通过放大偏置调节电路，使最终输出电压在确定的范围。
4.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式电涡流位移传感器，其特征在于：振荡电路包括工作电感L1、工作电感L2、工作电容C1、工作电容C4和三极管T，工作电感L1一端接三极管T的发射极，一端接三极管的集电极；工作电感L2一端接三极管的发射极，一端接三极管的基极；工作电容C1一端接三极管的集电极，一端接三极管的基极；在三极管发射极与两的工作电感连接节点之间加入电容C4。
5.根据权利要求4所述的一种用于磁悬浮轴承系统的自差分式电涡流位移传感器，其特征在于：所述的电容C1选用高频特性好且耐高温的瓷片电容；三极管T选用高频小功率晶体三极管2N2222。
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