CN110441543A - 基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置和方法。包括至少一组由数字信号处理器、电感数字转换模块、谐振电容、磁芯电感和涡流屏蔽片构成的传感测量组件；磁芯电感主要由线圈和磁芯以粘接组合构成，涡流屏蔽片安装于定子内部，且涡流屏蔽片位于磁芯电感和永磁体转子之间；谐振电容所述磁芯电感并联连接形成LC谐振器；电感数字转换模块主要由振荡器、放大器、检波器、信号处理模块和模数转换模块构成，数字信号处理器接模数转换模块输出端；通过测量电感值的变化周期得到转子转动周期，最终获得角速度。本发明解决了磁悬浮旋转泵角速度检测问题，具有非接触，低成本，结构简单，易安装和适应环境温度变化等优点。

Description

基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种角速度传感测量装置和方法，尤其是涉及一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感传感测量装置和方法。

背景技术

角速度传感在现代工业中应用十分广泛，例如电机旋转反馈控制，旋转机械转速调节等。目前角速度传感方案主要有光电编码器、霍尔传感和涡流式传感。光电编码器通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量；霍尔传感基于霍尔效应；涡流式角速度传感基于金属导体的涡流效应。在磁悬浮旋转泵应用中，上述角速度传感方案均或多或少存在问题：光电编码器由于悬浮转子叶轮被密封于泵壳之中已不适用；霍尔传感方案受环境温度变化影响较大；涡流式传感方案虽然能适应温度变化，但需要在旋转对象上安装相应的金属感测目标，而且传感板和感测目标之间的安装距离一般要求很小，而在磁悬浮旋转泵中，尤其是小型植入式人工心脏泵中，由于转子叶轮体积和泵壳空间的影响，感测目标和传感板不具有安装空间。基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感方案，利用了磁芯电感的磁饱和特性，同时继承了涡流式角速度传感和霍尔角速度传感的优良特性，具有非接触，低成本，结构简单，易安装和适应环境温度变化等优点，特别适用于磁悬浮旋转泵中。

磁芯电感是将线圈以绕制或其他方式与磁性金属氧化物材料进行组合形成的一类电感。磁芯电感中磁性材料由于磁饱和特性，即磁芯电感的铁氧体磁芯在旋转的气隙磁场中因不同的磁化程度而表现出不同的磁导率，其电感值会受到转子永磁体磁场的影响而呈现周期性变化，该特性可用于磁悬浮旋转泵中角速度传感。而且磁芯电感式感测头有适应环境温度变化和设计安装空间小等优点，可有效地应用于磁悬浮旋转泵中，如小型植入式人工心脏泵。

发明内容

本发明是为了解决现有霍尔或涡流式传感在磁悬浮旋转泵中或不适应环境温度变化，或由于需要安装感测目标不具有安装空间等问题，提供一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置和方法。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置：

本发明包括至少一组由数字信号处理器、电感数字转换模块、谐振电容、磁芯电感和涡流屏蔽片构成的传感测量组件；

所述磁芯电感作为感测头，磁芯电感固定于定子上，主要由线圈和磁芯以粘接组合构成；线圈由漆包铜线绕制成圆形或方形，磁芯由磁性金属氧化物材料制成为片状；所述的涡流屏蔽片安装于定子内部，且涡流屏蔽片位于磁芯电感和永磁体转子之间；

所述谐振电容，与所述磁芯电感并联连接形成LC谐振器；

所述电感数字转换模块主要由振荡器、放大器、检波器、信号处理模块和模数转换模块构成，振荡器连接在谐振电容和磁芯电感并联后的两端，LC谐振器依次经放大器、检波器、信号处理模块后和模数转换模块连接；

所述数字信号处理器，连接到电感数字转换模块的模数转换模块输出端，用于处理采集接收的阻抗或频率数字信号计算得到角速度结果。

所述谐振电容为高精度电容。

所述永磁体转子和定子为磁悬浮旋转泵中的转子和定子。

所述磁芯电感和所述涡流屏蔽片安装于定子的径向圆周位置，所述涡流屏蔽片位于所述磁芯电感和永磁体转子之间并靠近所述磁芯电感。

所述磁芯电感和所述涡流屏蔽片设计成不同尺寸，便于安装在不同尺寸的定子中。

所述磁芯电感和涡流屏蔽片紧邻布置，包括两个传感测量组件，两个传感测量组件的磁芯电感和涡流屏蔽片在定子圆周对称布置在两侧，两侧分别测量获得的角速度结果求和除2作为最终角速度。

所述磁芯电感和涡流屏蔽片紧邻布置，包括四个传感测量组件，四个传感测量组件的磁芯电感和涡流屏蔽片在定子圆周沿周向间隔均布，相对称安装的两个传感测量组件分别求和除2得到一个角速度，将正交方向的两个角速度结果再求和除2作为最终角速度。

二、一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量方法：

如图4所示，所述磁芯电感，其磁芯磁饱和程度随旋转永磁体转子磁场周期性变化而周期性改变，故其电感值也随永磁体转子旋转而周期性变化，通过测量电感值的变化周期T，进一步得到转子转动周期T0，从而得到转子转动角速度ω。

采用上述装置，在永磁体转子旋转过程中，由磁芯电感感应磁场周期性变化，由LC振荡电路输出接收信号，依次经放大器放大、检波器提取阻抗或频率信息、信号处理模块降噪或滤波、模数转换模块模数转换后，将带有阻抗或频率数字信号发送到数字信号处理器，数字信号处理器读取阻抗或频率数字信号的周期作为磁芯电感电感值的变化周期T，再除以永磁体转子的极对数处理得到转子转动周期T0，进而转换获得转子转动角速度ω。

本发明的有益效果是：

本发明利用了磁芯电感的磁饱和特性，即其电感值会受到转子永磁体磁场的影响而呈现周期性变化，解决了磁悬浮旋转泵角速度检测问题。磁芯电感式感测头具有适应环境温度变化和设计安装空间小等优点，不仅具有涡流式角速度传感和霍尔角速度传感的优良特性，还具有非接触，低成本，结构简单，易安装和适应环境温度变化等优点。

附图说明

图1为具体实施方式的整体示意图；

图2为电感数字转换模块(LDC)的原理示意图；

图3为磁芯电感的结构示意图；图3(a)是磁芯电感的立体半剖图，图3 (b)是磁芯电感的完整立体图；

图4为基于磁芯电感磁饱和特性角速度测量原理图。

图5为角速度测量的实验结果图。

图中：数字信号处理器(DSP)；2-电感数字转换模块(LDC)；3-谐振电容；4- 磁芯电感；5-涡流屏蔽片；6-永磁体转子；7-定子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施在磁悬浮旋转泵的永磁体转子6和定子7上安装本发明装置，装置包括至少一组由数字信号处理器1、电感数字转换模块2、谐振电容3、磁芯电感4和涡流屏蔽片5构成的传感测量组件。

如图3所示，磁芯电感4作为感测头，磁芯电感4固定于定子7上，主要由线圈4-1和磁芯4-2以粘接或其他连接方式组合构成；线圈4-1由漆包铜线绕制成圆形或方形或其他形状，磁芯4-2由磁性金属氧化物材料制成为片状；磁芯电感涡流效应属性不受温度变化影响，且磁芯电感尺寸可以绕制得很小，使得此设计的角速度传感测头尺寸可很小，便于安装在很多小型磁悬浮旋转泵中如植入人工心脏泵，并且适应电机发热带来的环境温度变化；

涡流屏蔽片5安装于定子7内部，且涡流屏蔽片5位于磁芯电感4和永磁体转子6之间。磁芯电感4和涡流屏蔽片5紧邻布置。

涡流屏蔽片5，采用铝或铜等可产生涡流效应且不导磁材料制成；涡流屏蔽片5厚度和尺寸可屏蔽磁芯电感4与永磁体转子6产生涡流效应，使磁芯电感需在工作状态下仅受永磁体转子磁场变化的影响，而不受永磁体转子材料涡流效应的影响。

磁芯电感4和涡流屏蔽片5安装于定子7的径向圆周位置，涡流屏蔽片5 位于磁芯电感4和永磁体转子6之间并靠近磁芯电感4。

磁芯电感4和涡流屏蔽片5设计成不同尺寸，便于安装在不同尺寸的定子7 中。

谐振电容3，与磁芯电感4并联连接形成LC谐振器。谐振电容3具体采用误差精度高于1％的电容。

谐振电容3可与磁芯电感4组合成LC感测头或与电感数字转换模块(LDC)2 组合成为其电路模块中一个元件。

如图2所示，电感数字转换模块2主要由振荡器、放大器、检波器、信号处理模块和模数转换模块构成，振荡器连接在谐振电容3和磁芯电感4并联后的两端，LC谐振器依次经放大器、检波器、信号处理模块后和模数转换模块连接；振荡器驱动谐振电容3和磁芯电感4产生高频LC振荡；放大器将谐振电容 3和磁芯电感4构成的谐振器的信号进行放大；检波器可识别并提取经放大器放大后信号的阻抗或频率信息；信号处理模块将信息进行降噪或滤波等处理；模数转换模块将阻抗或频率模拟信号转换成数字信号。数字信号处理器1，连接到电感数字转换模块2的模数转换模块输出端，用于处理采集接收的阻抗或频率数字信号计算得到角速度结果。

根据不同的使用场合，如普通永磁同步电机或磁悬浮泵中，可安装1组或2 组或4组传感测量组件。

具体实施中，还有一种实施方式包括两个传感测量组件，两个传感测量组件的磁芯电感4和涡流屏蔽片5在定子7圆周对称180度布置在两侧，两侧分别测量获得的角速度结果求和除2作为最终角速度，以消除悬浮转子径向偏移、温度等的影响。

具体实施中，还有一种实施方式包括四个传感测量组件，四个传感测量组件的磁芯电感4和涡流屏蔽片5在定子7圆周沿周向间隔均布，相对称安装的两个传感测量组件分别求和除2得到一个角速度，将正交方向的两个角速度结果再求和除2作为最终角速度，以消除转子径向偏移、温度等影响的同时提高测量精度。

如图4所示，本发明的具体实施过程如下：

采用上述装置，在永磁体转子6旋转过程中，由磁芯电感4感应磁场周期性变化，由LC振荡电路输出接收信号，依次经放大器放大、检波器提取阻抗或频率信息、信号处理模块降噪或滤波、模数转换模块模数转换后，将带有阻抗或频率数字信号发送到数字信号处理器1，数字信号处理器1读取阻抗或频率数字信号的周期作为磁芯电感4电感值的变化周期T，再除以永磁体转子6的极对数处理得到转子转动周期T0，进而转换获得转子转动角速度ω。

具体实施中，在磁悬浮泵样机上同时安装商用霍尔角速度传感模块和本发明所述角速度传感装置(2组)，设定转子转动速度2000转/分钟，角速度实验结果如图5所示，图中角速度转化为转速n来表示，通过对比发现本发明所述角速度传感装置测量误差可控制在2转/分钟以内，接近商用霍尔角速度传感模块。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置，其特征在于：

包括至少一组由数字信号处理器(1)、电感数字转换模块(2)、谐振电容(3)、磁芯电感(4)和涡流屏蔽片(5)构成的传感测量组件；

所述磁芯电感(4)作为感测头，磁芯电感(4)固定于定子(7)上，主要由线圈(4-1)和磁芯(4-2)以粘接组合构成；线圈(4-1)由漆包铜线绕制成圆形或方形，磁芯(4-2)由磁性金属氧化物材料制成为片状；所述的涡流屏蔽片(5)安装于定子(7)内部，且涡流屏蔽片(5)位于磁芯电感(4)和永磁体转子(6)之间；

所述谐振电容(3)，与所述磁芯电感(4)并联连接形成LC谐振器；

所述电感数字转换模块(2)主要由振荡器、放大器、检波器、信号处理模块和模数转换模块构成，振荡器连接在谐振电容(3)和磁芯电感(4)并联后的两端，LC谐振器依次经放大器、检波器、信号处理模块后和模数转换模块连接；

所述数字信号处理器(1)，连接到电感数字转换模块(2)的模数转换模块输出端，用于处理采集接收的阻抗或频率数字信号计算得到角速度结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置，其特征在于：所述谐振电容(3)为高精度电容。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置，其特征在于：所述永磁体转子(6)和定子(7)为磁悬浮旋转泵中的转子和定子。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置，其特征在于：所述磁芯电感(4)和所述涡流屏蔽片(5)安装于定子(7)的径向圆周位置，所述涡流屏蔽片(5)位于所述磁芯电感(4)和永磁体转子(6)之间并靠近所述磁芯电感(4)。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置，其特征在于：所述磁芯电感(4)和涡流屏蔽片(5)紧邻布置，包括两个传感测量组件，两个传感测量组件的磁芯电感(4)和涡流屏蔽片(5)在定子(7)圆周对称布置在两侧，两侧分别测量获得的角速度结果求和除2作为最终角速度。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量装置，其特征在于：所述磁芯电感(4)和涡流屏蔽片(5)紧邻布置，包括四个传感测量组件，四个传感测量组件的磁芯电感(4)和涡流屏蔽片(5)在定子(7)圆周沿周向间隔均布，相对称安装的两个传感测量组件分别求和除2得到一个角速度，将正交方向的两个角速度结果再求和除2作为最终角速度。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于磁饱和特性的磁芯电感式角速度传感测量方法，其特征在于：采用上述装置，在永磁体转子(6)旋转过程中，由磁芯电感(4)感应磁场周期性变化，由LC振荡电路输出接收信号，依次经放大器放大、检波器提取阻抗或频率信息、信号处理模块降噪或滤波、模数转换模块模数转换后，将带有阻抗或频率数字信号发送到数字信号处理器(1)，数字信号处理器(1)读取阻抗或频率数字信号的周期作为磁芯电感(4)电感值的变化周期T，再除以永磁体转子(6)的极对数处理得到转子转动周期T0，进而转换获得转子转动角速度ω。