CN107589385B - 一种自动检测电磁线圈电磁参数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动检测电磁线圈电磁参数的装置包括支撑传动机构、线圈换卡机构、设置有小球的小球装载机构以及设置在所述小球一侧的电涡流位置传感器；支撑传动机构包括支撑机构和用于驱动小球装载机构上下往复运动的传动机构，线圈换卡机构和小球装载机构内分别对小球受电磁线圈吸引发生运动趋势过程中的压力变化值进行测试，协同对小球振动进行实时监测的电涡流位置传感器，以获取小球处于临界压力点时刻下的电磁线圈电流值和悬浮间隙；该装置不仅满足线圈电磁参数检测对位置、电流信息反馈精度的要求，并在此基础上实现对不同线圈的线圈电磁参数、单自由度电磁悬浮系统的一阶电流参数和单自由度电磁悬浮系统的一阶位置参数进行快速测定。

Description

一种自动检测电磁线圈电磁参数的装置

技术领域

本发明涉及机电一体化技术领域，特别涉及一种自动检测电磁线圈电磁参数的装置。

背景技术

传统电磁装置对电磁铁的需求只有两种状态：吸起和不吸起。随着近现代控制理论的发展和电磁装置的不断升级，电磁铁的电磁力往往需要被精准的获取和控制。

电磁线圈电磁参数(以下简称为线圈电磁参数)是衡量电磁线圈产生磁场能力的重要指标，该参数在线圈设计、电磁力计算、电磁系统数学模型建立等过程中均占据重要地位。

电磁领域在研究通电线圈悬浮力时指出，电磁铁的悬浮力与线圈电流，悬浮气隙和电磁线圈有关。线圈电磁参数是一个常量，是衡量电磁线圈产生磁场能力的物理量，与铁芯面积、线圈匝数和空气导磁率三方面因素有关。因此在计算电磁铁悬浮力时，线圈电磁参数就变得非常重要。

国内外对线圈电磁力的控制作了大量研究，研究方向均注重对力的控制而不专注于线圈电磁参数的检测。很多中小型线圈设计过程中需要重新进行电磁力的计算推导等过程，不仅非常麻烦，而且得到的参数值往往缺乏必要的实践检验，使得参数的精确性大大降低。因此，有必要设计一种为多数中小型线圈的设计提供便捷通道，使电磁系统控制者快捷地了解线圈的电磁参数的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速地检测不同线圈的电磁参数，实现对线圈电磁参数的自动测量的自动检测电磁线圈电磁参数的装置。

为此，本发明技术方案如下：

一种自动检测电磁线圈电磁参数的装置，包括支撑传动机构、线圈换卡机构、设置有小球的小球装载机构和设置在所述小球装载机构一侧的电涡流位置传感器；其中，

所述支撑传动机构包括能够上下往复运动的载板平台和能够反馈所述载板平台移动位移量的位移反馈装置；

所述线圈换卡机构包括第一薄膜式压力传感器、线圈铁芯和电流传感器；所述线圈铁芯顶端直接或间接抵在所述第一薄膜式压力传感器上；所述电流传感器与套装在所述线圈铁芯外侧的电磁线圈连接；

所述小球装载机构设置在所述载板平台中心处，其包括内嵌有第二薄膜式压力传感器的所述小球载板底板和用于对小球进行限位的小球载板定位板；所述小球装载机构设置在所述线圈换卡机构正下方，使所述第一薄膜式压力传感器、所述线圈铁芯、所述小球和所述第二薄膜式压力传感器的设置在同一轴线上；所述电涡流位置传感器水平设置且其探头圆心与所述小球球心等高。

进一步地，所述支撑传动机构由支撑机构和传动机构构成；所述支撑机构包括上箱体、下箱体和设置在所述上箱体和所述下箱体之间的四根支撑杆；所述传动机构包括设置在所述上箱体和所述下箱体之间的载板平台、两根丝杆、与两根丝杆匹配的两个丝杆螺母、两个丝杆支撑轴承和两个丝杆固定轴承，以及设置在所述下箱体内的步进电机、位置反馈编码码盘、光电计数器、第一大齿轮、第二大齿轮、小齿轮和步进电机驱动器；其中，所述两根丝杆分别插装在对称开设于所述载板平台板面上的一对轴向通孔内，且每根所述丝杆分别通过套装在顶端、中部和下部的丝杆固定轴承、丝杆螺母和丝杆支撑轴承与所述上箱体的底板、所述载板平台和所述下箱体顶板之间形成活动连接；所述第一大齿轮和所述第二大齿轮分别套装在两根丝杆延伸至下箱体内的光轴上，所述小齿轮套装在所述步进电机的输出轴上，且所述第一大齿轮和所述第二大齿轮分别与所述小齿轮形成啮合；所述位置反馈编码码盘套装在任意一根丝杆的光轴上，所述光电计数器邻近所述位置反馈编码码盘设置并与其相互配合以记录其转动圈数；所述步进电机驱动器与所述步进电机连接，控制步进电机的转速、方向和启停状态。

进一步地，所述线圈换卡机构还包括线圈换卡母座(34)、线圈换卡公头(35)和线圈换卡卡环(36)；第一薄膜式压力传感器内设置在所述线圈换卡母座(34)中；所述线圈换卡公头(35)顶端插装并固定在所述线圈换卡母座(34)底面开设的卡槽内且所述线圈换卡公头(35)顶端抵在所述第一薄膜式压力传感器上；所述线圈换卡卡环(36)套装在所述线圈铁芯(38)外侧，使所述线圈铁芯(38)通过所述线圈换卡卡环(36)与所述线圈换卡公头(35)底端连接固定。

进一步地，所述线圈换卡母座底面开设有一十字形插槽，所述线圈换卡公头顶端侧壁上设有与所述十字形插槽相配合的四个径向凸起，使所述线圈换卡公头顶端能够通过十字形插槽插装在所述线圈换卡母座内并通过旋转90°与所述线圈换卡母座形成连接。

进一步地，所述小球装载机构还包括依次穿装在所述载板平台(6)和所述小球载板定位板(41)四角处的四个调整螺丝(48)、分别套装在四个调整螺丝(48)外侧且位于所述载板平台(6)和所述小球载板定位板(41)之间的四个预紧弹簧(46)以及套装在四个调整螺丝(48)外侧且位于所述小球载板定位板(41)上方的四个调整螺母(47)；小球载板底板(44)固定在所述载板平台(6)中心处，小球载板定位板(41)设置在所述小球载板底板(44)上方，第二薄膜式压力传感器(45)内嵌在所述小球载板底板(44)中心处；所述小球(5)设置在所述载板平台(6)上并通过所述小球载板定位板(41)限位。

该自动检测电磁线圈电磁参数的装置通过支撑传动机构、线圈换卡机构、小球装载机构和位于小球邻侧的电涡流位置传感器的相互配合，实现对小球受电测线圈吸引作用下发生吸引过程中发生的受力变化进行监测，通过对临界压力点进行智能补偿和精确反馈，获取小球处于临界压力点时刻下的电磁线圈电流值和悬浮间隙；该装置不仅满足线圈电磁参数检测对位置、电流信息反馈精度的要求，同时能够在此基础上实现对不同线圈的线圈电磁参数、单自由度电磁悬浮系统的一阶电流参数和单自由度电磁悬浮系统的一阶位置参数进行快速测定。

附图说明

图1为本发明的自动检测电磁线圈电磁参数的装置的立体结构示意图；

图2为本发明的自动检测电磁线圈电磁参数的装置的正面结构示意图；

图3为本发明的自动检测电磁线圈电磁参数的装置的线圈换卡机构的结构示意图；

图4为本发明的自动检测电磁线圈电磁参数的装置的小球装载机构机及其一侧的电涡流位置传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

一种自动检测电磁线圈电磁参数的装置，包括支撑传动机构、线圈换卡机构、设置有小球5的小球装载机构13、设置在小球5一侧的电涡流位置传感器40。

支撑传动机构由支撑机构和传动机构构成；具体地，

支撑机构包括上箱体17和下箱体8，二者均为由铝板和L型铝条组装而成内部中空的长方体箱体；上箱体17和下箱体8之间通过竖直设置且分别固定在上箱体底板和下箱体8顶板四角处的第一支撑杆3、第二支撑杆4、第三支撑杆10、第四支撑杆12支撑固定，形成用于设置传动机构和线圈换卡机构及其其他配套部件的架体；

传动机构包括载板平台6，竖直设置的第一丝杆19和第二丝杆29，分别与第一丝杆19匹配的第一丝杆螺母20、第一丝杆支撑轴承7和第一丝杆固定轴承18，分别与第二丝杆29匹配的第二丝杆螺母28、第二丝杆支撑轴承11和第二丝杆固定轴承30；其中，载板平台6为一水平设置的矩形板，在该矩形板上对称开设有两个轴向通孔，使外侧各套装有丝杆螺母的两根丝杆分别插装在两个轴向通孔内，两个丝杠螺母通过螺丝固定在载板平台6上，套装在每个丝杆螺母内的丝杆与丝杆螺母旋合，使丝杆在转动过程中能够带动丝杆螺母发生直线位移，进而带动载板平台6实现上下往复运动；每根丝杆长度与上箱体17底板和下箱体8之间的间距相适应，使每根丝杆顶端通过固定在上箱体17底板上的丝杆固定轴承进行固定、下侧光轴部分伸入下箱体8内部并通过固定在下箱体8顶板上的丝杆支撑轴承固定；每根丝杆的顶端和下部分别通过丝杆支撑轴承和丝杆固定轴承活动实现将丝杠活动固定在上箱体17和下箱体8之间，而不影响每根丝杆自身的灵活转动；

该传动机构还包括设置在下箱体8内的步进电机21、位置反馈编码码盘22、光电计数器23、第一大齿轮24、第二大齿轮25、小齿轮26和步进电机驱动器27；具体地，步进电机21固定在下箱体8顶板内壁上并位于两根丝杆连线中点处，且步进电机21的输出轴竖直向下；第一大齿轮24、第二大齿轮25和小齿轮26分别以过盈方式通过中心孔装配在第一丝杆19的光轴上、第二丝杆29的光轴上和步进电机21的输出轴上，第一大齿轮24、第二大齿轮25和小齿轮26设置在同一水平面上，使第一大齿轮24和第二大齿轮25分别与小齿轮26形成啮合；

位置反馈编码码盘22以过盈方式通过中心孔装配在第一丝杆19的光轴上，随第一丝杆19转动旋转，光电计数器23设置在位置反馈编码码盘22相应位置处，用于对位置反馈编码码盘22的转动圈数进行计数，以对应换算出载板平台6自初始位置发生的位移变化；步进电机驱动器27与所述步进电机21采用电气连接方式以实现对步进电机21的启停、转动方向以及转动速度的控制。

该传动机构的传动过程为：步进电机转动带动小齿轮转动，小齿轮带动安装在丝杆光轴上的大齿轮转动，大齿轮带动丝杆转动，丝杆与丝杆螺母发生相对转动，丝杆螺母在丝杆上形成相对运动，进而带动载板平台在丝杆上升降。

线圈换卡机构32包括线圈换卡母座34、线圈换卡公头35、线圈换卡卡环36和线圈铁芯38；其中，线圈换卡母座34通过固定螺丝33固定在上箱体17的底板上，其内侧设置有第一薄膜式压力传感器；线圈换卡公头35与线圈换卡母座34可拆卸连接，且线圈换卡公头35顶端抵在第一薄膜式压力传感器上，第一薄膜式压力传感器用于承接并反馈线圈换卡公头35传递的压力；线圈换卡卡环36与线圈铁芯38外径相适应，其通过套装并固定在线圈铁芯38外侧，使线圈铁芯38通过线圈换卡卡环36与线圈换卡公头35底端通过固定螺丝37和相匹配的螺母39可拆卸连接固定；线圈铁芯38用于安装带测定的电磁线圈14。

其中，线圈换卡母座34和线圈换卡公头35之间采用插装关系形成可拆卸连接；具体地，线圈换卡母座34底面开设有一个十字形插槽，线圈换卡公头35顶端侧壁上向外侧延伸形成有四个径向凸起，使线圈换卡公头35顶端形成有与十字形插槽相配合的十字形挡片，使线圈换卡公头35顶端通过十字形插槽插入线圈换卡母座34内后通过旋转90°将线圈换卡公头35的十字形挡片与线圈换卡母座34的十字形插槽形成错位，实现线圈换卡母座34和线圈换卡公头35的连接；同时，线圈换卡公头35通过线圈换卡母座34内部的连接关系与第一薄膜式压力传感器间接接触，第一薄膜式压力传感器开始承压。

线圈换卡机构还包括设置在上箱体17内的电流传感器，其与套装在线圈铁芯38外侧的电磁线圈14采用电气接口方式连接，实现测定电磁线圈14的实时电流值的目的。

小球装载机构13设置在载板平台6中心处，其包括小球载板底板44、小球载板定位板41、四个预紧弹簧46、四个调整螺母47、四个调整螺丝48和第二薄膜式压力传感器45；具体地，小球载板底板44采用热熔胶固定在载板平台6上，其自沿径向对开为上、下两部分，使第二薄膜式压力传感器45内置在小球载板底板44的中心处；在小球载板底板44四角处各开设有一个用于分别插装和固定四个调整螺母47的螺孔，对应地，在小球载板定位板41的四角上也开设有四个用于穿装四个调整螺母47的螺孔；四个预紧弹簧46分别套装在四个调整螺母47上且设置在小球载板底板44和小球载板定位板41之间，四个调整螺母47自四个调整螺丝48顶端拧入并压配在小球载板定位板41；小球载板定位板41中心开设有与小球直径一致的通孔，与小球载板定位板41尺寸相适应的20#钢制小球5通过该通孔平稳设置在小球载板底板44上；进一步，该装置在使用时，通过调整四个调整螺母47相对于四个调整螺丝48的位置，进而调整第二薄膜式压力传感器45的承压初始值。在该检测装置中，第一薄膜式压力传感器、线圈铁芯38、小球5和第二薄膜式压力传感器45设置在同一轴线上；电涡流位置传感器40的探头圆心与小球5球心等高。

电涡流位置传感器40通过采用热熔胶固定在载板平台6上的传感器支架43设置在小球装载机构13一侧；具体地，电涡流位置传感器40水平设置在传感器支架43上并通过传感器定位螺丝42固定，使电涡流位置传感器40的探头圆心与设置在小球载板底板44上的小球5的球心等高。

该装置中的各测量部件通过数据传输系统实现数据传输，具体地，数据传输系统包括设置在上箱体17和下箱体8同侧侧板上的各一个9针通信接口、设置在上箱体17侧板上的PCI母接口、控制电路板以及集成在上箱体17内的电源控制装置。其中，

电源控制装置与设置在上箱体17背板上的外接电源线连接，通过外接电源线端部设置的电源插头与外接电源连接，对装置内的各测量部件供电；相应地，在上箱体17的正面板上分别设置有电源控制开关和急停按键，以控制该装置的启停工作状态；

设置在上箱体17内的电流传感器和电源控制装置，设置在线圈换卡装置32内的第一薄膜式压力传感器，设置在小球装载机构13内的第二薄膜式压力传感器45，设置在载板平台6上的电涡流位置传感器分别通过电路控制板与设置在上箱体17一侧的PCI通信母接口建立电气连接关系；PCI通信母接口通过数据传输线与计算机连接，实现包括电流值、光电计数值、第一压力传感器值、第二压力传感器值、电涡流位置传感器值传送至计算机进行数据处理，同时计算机对装置内的步进电机驱动器和对线圈的供电电流值进行控制；具体来说，控制步进电机驱动器27、在小球处于临界压力点处停止转动，以获取准确的测定参数，对线圈电流大小的控制以获取准确的电流值。

设置在下箱体8内的光电计数器24和步进电机驱动器27分别与设置在下箱体8一侧的9针通信接口通过数据传输线连接；设置在上箱体17侧板上的9针通信接口通过电路控制板连接至PCI母接口；使用时，通过数据连接线将设置在上箱体17和下箱体8同侧的两个9针通信接口进行连接，实现上、下箱体之间各测量部件的信号传输，即将光电计数器24的数据信号最终传送至计算机中，而计算机给出的步进电机驱动器27对步进电机21的控制信号传送至步进电机驱动器；同时通过保证电源信号传输至下箱体8中，为光电计数器24、步进电机21和步进电机驱动器27供电；

该自动检测电磁线圈电磁参数的装置的使用方法：

S1、将待测定电磁线圈14插装在线圈铁芯外侧并固定，然后将电流传感器接线与电磁线圈14连接为电磁线圈14供电同时测定出电磁线圈14的实时电流值；确保线圈换卡公头35抵在第一薄膜式压力传感器上，将第一薄膜式压力传感器的初始压力值人为认定为0；

S2、在未放入小球状态下调整小球装载台的调整弹簧，使第二薄膜式压力传感器45承压在预设压力值范围内，即工作在有效压力范围内，然后在小球装载机构13内置入小球5，小球5的质量已知，对应地，小球5的重力值记为F牛(N)；

S3、调整载板平台6与电磁线圈之间的间距为预设值x_初；

S4、通电并打开电源开关，向装置内各用电部件进行供电，电磁线圈14通电对小球产生吸引力，此时可以观察到第一薄膜式压力传感器的压力值逐渐增大、第二薄膜式压力传感器45的压力值逐渐减小；步进电机驱动器27控制步进电机21的转速和方向，进而带动小球5逐渐向上移动；与此同时，光电计数器记录位置反馈编码码盘22的转动圈数，用于换算为小球5实际发生的位移变化量△x，以获得处于小球临界点状态下的悬浮间隙x[m]＝x_初-△x。

其中，第一薄膜式压力传感器、第二薄膜式压力传感器和电涡流位置传感器用于检测小球处于临界压力点的时刻；具体来说，由于检测过程中装置振动等因素，导致小球在临界点振动不稳定，使得临界点难以捕捉；因此，对第一薄膜式压力传感器和第二薄膜式压力传感器的模拟值进行积分对比，将压力值变化且矢量和不趋于零视为振动；将压力值变化且矢量和趋于零意味着小球处于悬浮临界的第一因素；电涡流传感器直接监测小球的振动，幅值小且呈振荡式的波形视为振动，将幅值连续正向变化视为小球正在被吸起，此变化为小球处于悬浮临界的第二因素；在实际测量时，结合上述第一因素和第二因素，将两个因素分别按照不同的模糊比例求和作为判断小球状态的最终依据，使得最终获取的小球临界点准确可靠；步进电机驱动器27在临界点时刻及时停止步进电机工作，获取处于小球临界点状态下的悬浮间隙，同时，该时间点下的电流传感器测定值即为处于小球临界点状态下实时电流值i。

进一步，将测得的处于小球临界点状态下的悬浮间隙x[m]、实时电流值i[A]和已知的小球重力值F[N]依次带入以下公式(1)～(3)：

公式(1)：

公式(2)：

公式(3)：

分别利用计算机快速得到电磁线圈固有参数k值、单自由度电磁悬浮系统的一阶电流参数k_i值和单自由度电磁悬浮系统的一阶位置参数k_x值，使电磁系统控制者迅速了解到其测试的电磁线圈的相关电磁参数，为后续工作提供基础参考数据。

Claims (5)

1.一种自动检测电磁线圈电磁参数的装置，其特征在于，包括支撑传动机构、线圈换卡机构、设置有小球(5)的小球装载机构以及设置在所述小球(5)一侧的电涡流位置传感器(40)；其中，

所述支撑传动机构包括能够上下往复运动的载板平台(6)和能够反馈所述载板平台(6)移动位移量的位移反馈装置；

所述线圈换卡机构包括第一薄膜式压力传感器、线圈铁芯(38)和电流传感器；所述线圈铁芯(38)顶端直接或间接抵在所述第一薄膜式压力传感器上；所述电流传感器与套装在所述线圈铁芯(38)外侧的电磁线圈(14)连接；

所述小球装载机构设置在所述载板平台(6)上板面中心处，其包括内嵌有第二薄膜式压力传感器(45)的小球载板底板(44)和用于对小球进行限位的小球载板定位板(41)；所述小球装载机构设置在所述线圈换卡机构正下方，使所述第一薄膜式压力传感器、所述线圈铁芯(38)、所述小球(5)和所述第二薄膜式压力传感器(45)的设置在同一轴线上；所述电涡流位置传感器(40)水平设置且其探头圆心与所述小球(5)球心等高。

2.根据权利要求1所述的自动检测电磁线圈电磁参数的装置，其特征在于，所述支撑传动机构由支撑机构和传动机构构成；其中，所述支撑机构包括上箱体(17)、下箱体(8)和设置在所述上箱体(17)和所述下箱体(8)之间的四根支撑杆；所述传动机构包括设置在所述上箱体(17)和所述下箱体(8)之间的载板平台(6)、两根丝杆、与两根丝杆匹配的两个丝杆螺母、两个丝杆支撑轴承和两个丝杆固定轴承，以及设置在所述下箱体(8)内的步进电机(21)、位置反馈编码码盘(22)、光电计数器(23)、第一大齿轮(24)、第二大齿轮(25)、小齿轮(26)和步进电机驱动器(27)；其中，所述两根丝杆分别插装在对称开设于所述载板平台(6)板面上的一对轴向通孔内，且每根所述丝杆分别通过套装在其顶端、中部和下部的丝杆固定轴承、丝杆螺母和丝杆支撑轴承与所述上箱体(17)的底板、所述载板平台(6)和所述下箱体(8)顶板之间形成活动连接；所述第一大齿轮(24)和所述第二大齿轮(25)分别套装在两根丝杆延伸至下箱体(8)内的光轴上，所述小齿轮(26)套装在所述步进电机(21)的输出轴上，且所述第一大齿轮(24)和所述第二大齿轮(25)分别与所述小齿轮(26)形成啮合；所述位置反馈编码码盘(22)套装在任意一根丝杆的光轴上，所述光电计数器(23)邻近所述位置反馈编码码盘(22)设置并与其相互配合以记录其转动圈数；所述步进电机驱动器(27)与所述步进电机(21)连接。

3.根据权利要求1所述的自动检测电磁线圈电磁参数的装置，其特征在于，所述线圈换卡机构还包括线圈换卡母座(34)、线圈换卡公头(35)和线圈换卡卡环(36)；第一薄膜式压力传感器内设置在所述线圈换卡母座(34)中；所述线圈换卡公头(35)顶端插装并固定在所述线圈换卡母座(34)底面开设的卡槽内且所述线圈换卡公头(35)顶端抵在所述第一薄膜式压力传感器上；所述线圈换卡卡环(36)套装在所述线圈铁芯(38)外侧，使所述线圈铁芯(38)通过所述线圈换卡卡环(36)与所述线圈换卡公头(35)底端连接固定。

4.根据权利要求3所述的自动检测电磁线圈电磁参数的装置，其特征在于，所述线圈换卡母座(34)底面开设有一十字形插槽，所述线圈换卡公头(35)顶端侧壁上设有与所述十字形插槽相配合的四个径向凸起，使所述线圈换卡公头(35)顶端能够通过十字形插槽插装在所述线圈换卡母座(34)内并通过旋转90°与所述线圈换卡母座(34)连接并固定。

5.根据权利要求1所述的自动检测电磁线圈电磁参数的装置，其特征在于，所述小球装载机构还包括依次穿装在所述载板平台(6)和所述小球载板定位板(41)四角处的四个调整螺丝(48)、分别套装在四个调整螺丝(48)外侧且位于所述载板平台(6)和所述小球载板定位板(41)之间的四个预紧弹簧(46)以及套装在四个调整螺丝(48)外侧且位于所述小球载板定位板(41)上方的四个调整螺母(47)；小球载板底板(44)固定在所述载板平台(6)中心处，小球载板定位板(41)设置在所述小球载板底板(44)上方，第二薄膜式压力传感器(45)内嵌在所述小球载板底板(44)中心处；所述小球(5)设置在所述载板平台(6)上并通过所述小球载板定位板(41)限位。

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