CN112665500A - 一种磁悬浮电机转子位移监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮电机转子位移监测传感器，包括模拟传感器(201)、放大器电路(202)、A/D转换器(203)、微处理器(205)，所述模拟传感器(201)中包括两个差动形式的电感检测模块。本发明公开的磁悬浮电机转子位移监测传感器具备整体抗噪声干扰性强，线性度好，测量精度高，毛刺噪声小，调整维护方便等优点，特别适合于在磁悬浮电机转子位移监测领域中进行应用。

Description

一种磁悬浮电机转子位移监测传感器

技术领域

本发明涉及电机装备领域，特别涉及到一种高速磁悬浮电机转子位移监测传感器。

背景技术

磁悬浮电机性能中很重要的一部分取决于所选用的位移传感器的特性。为测量一个移动转子的位置，必须选用非接触式传感器，并且能够测量一个旋转表面。因此，转子的几何尺寸、对应测量点的材料均匀性等都将影响测量结果。粗糙的表面将引入噪声干扰，而几何误差可能引起同频或倍频的扰动。

依据磁轴承的应用，我们在选用传感器时，不仅需要考虑线性度、灵敏度、分辨率、频率范围等常规因素，而且需要考虑温度范围、噪声影响、电磁兼容等特殊因素。尤其是噪声干扰，当磁轴承由开关功放驱动且功放的开关频率接近调制频率时，通常会产生大量干扰。因此，对于传统电感式位移传感器而言，噪声干扰大是实际应用中的最大问题。

此外传感器在位移测量过程中存在非线性的转换部分，这部分对于输出的电压转换为实际的位移量存在误差影响，因此需要对测量结果进行线性化的误差校对处理以提高测量的精度，同时在传感器底部的铁芯存在毛刺也对传感器的测量结果存在误差影响，也是导致传感器整体的测量噪声的重要来源之一。

发明内容

本发明提供了一种磁悬浮电机转子位移监测传感器，本发明解决的问题包括磁悬浮电机转子位移监测传感器中的受噪声干扰大，线性度范围小，系统误差大，铁芯底部毛刺导致的毛刺噪声等问题。本发明的技术方案如下：

包括用于将磁悬浮电机转子位移信号转化为电信号的模拟传感器(201)、用于将模拟传感器(201)输出的电信号放大的放大器电路(202)、用于将放大器电路(202)输出的模拟信号转换为数字信号的A/D转换器(203)、用于处理A/D转换器(203)输出的数字信号的微处理器(205)，所述模拟传感器(201)包括两个差动形式的电感检测模块，当磁悬浮电机转子发生位移时引起所述电感检测模块的电感变化从而引起所述电感检测模块的输出的电压检测量变化以实现将磁悬浮转子位移信号转化为电信号。上述A/D转换器也可以采用集成到微处理器中的形式进行，但是不应以此来限制本发明的保护范围，所述放大器电路除了采用桥式放大器电路也可以采用其他种类的放大器电路，所述A/D转换器的型号可以采用常规的A/D转换器电路进行，所述微处理器可以采用常规的单片机、FPGA等控制芯片来进行。上述差动形式的电感检测模块能够有效的消除如系统误差以及温度带来的干扰误差等噪声来源，提高传感器测量的精确度以及抗干扰特性。

较优的，所述模拟传感器的两个差动形式的电感检测模块包括如下：第一铁芯、第二铁芯，第一铁芯、所述第二铁芯与磁悬浮转轴之间分别存在转轴铁芯上间隙和转轴铁芯下间隙，第一铁芯、所述第二铁芯的形状均呈U形，第一铁芯上设置有第一传感器电感线圈、第三传感器电感线圈，第二铁芯上设置有第二传感器电感线圈、第四传感器电感线圈，第一传感器电感线圈与第二传感器电感线圈连接，所述第三传感器电感线圈与所述第四传感器电感线圈连接，所述第一传感器电感线圈引出模拟传感器第一接线端,所述第三传感器电感线圈引出模拟传感器第三接线端，所述第二传感器电感线圈引出模拟传感器第二接线端，所述第四传感器电感线圈引出模拟传感器第四接线端，所述模拟传感器第三接线端、模拟传感器第四接线端作为模拟传感器的基准电压输出端，模拟传感器第一接线端、模拟传感器第二接线端作为模拟传感器的基准电压输入端。

较优的，所述微处理器上连接有标准接口、脉冲输出、控制门、显示终端。

较优的，所述微处理器上连接有标准接口、脉冲输出、控制门、显示终端。

较优的，所述两个差动形式的电感检测模块对称且在尺寸、材料、电器参数方面保持完全一致。

较优的，所述第一铁芯与所述第二铁芯的底端均设置有铁芯底部镀层，所述铁芯底部镀层采用银镀层，典型厚度为1mm-3mm。

较优的，包括第一桥式测量电路电感、第二桥式测量电路电感、第三桥式测量电路电感、第一传感器线圈阻抗臂、第二传感器线圈阻抗臂，其中所述第一桥式测量电路电感两端分别引出桥式测量电路第一接线端、桥式测量电路第二接线端，所述第二桥式测量电路电感、所述第三桥式测量电路电感、所述第二传感器线圈阻抗臂、所述第一传感器线圈阻抗臂依次连接形成桥式环路，其中第二桥式测量电路电感、第三桥式测量电路电感的连接处引出桥式测量电路接地端，第二传感器线圈阻抗臂、第一传感器线圈阻抗臂的连接处引出桥式测量电路第三接线端，第一桥式测量电路电感与第二桥式测量电路电感、第三桥式测量电路电感之间设置有桥式测量电路互感铁芯。上述桥式放大电路为一种较佳的具体放大电路实施例。

较优的，还包括线性化校准模块，所述线性化校准模块中存储有传感器输入输出特性曲线用于插值拟合测得的位移数据，所述线性化校准模块可以作为单独的芯片设置，也可以作为IP模块集成在微处理器中，所述传感器输入输出特性曲线可采用如下步骤测得：

(1)、打开电源，将振荡器输出调制4kHz，用示波器调制输出幅度VPP为2V，将输出接至差动变压器初级。

(2)、差动变压器调零，增益旋至最大。

(3)、改变铁心位置，用示波器观察，使差动放大器输出电压最小；示波器灵敏度提高时，观察零点残余电压波形的变化。

(4)、反复调整电桥的两个平衡网络，使输出电压进一步减小，必要时重新调节铁心位置，读出此时零点残余电压值的大小，与步骤(3)的结果进行比较，注意观察经过补偿后的残余电压波形。

(5)、给铁心一个较大的位移，调整移相器使输出电压最大，同时用示波器观察放大器输出波形，调整放大器增益以保证输出波形不失真。从零输出电压开始，每隔1mm读出一个输出电压值并记录。

(6)、根据测量结果，得到传感器输入输出特性曲线，并求出传感器的灵敏度。上述校准方法有利于提高传感器整体的线性度以及降低系统误差。

本发明的磁悬浮电机转子位移监测传感器具备整体抗噪声干扰性强，线性度好，测量精度高，毛刺噪声小，调整维护方便等优点，特别适合于在磁悬浮电机转子位移监测领域中进行应用。

附图说明

图1为本发明的磁悬浮电机位移传感器的结构组成示意图；

图2为本发明中差动变间隙式电感模拟传感器部分的结构示意图；

图3为本发明中差动变间隙式电感模拟传感器部分的简化电路原理示意图；

图4为本发明中电感模拟传感器部分采用变压器交流电桥式测量电路的电路原理示意图；

附图标记说明：201、模拟传感器；202、放大器电路；203、A/D转换器；204、线性化处理模块；205、微处理器；206、标准接口；207、脉冲输出；208、控制门；209、显示终端；103、转轴铁芯下间隙；104、转轴铁芯上间隙；105、第二电压方向；106、第一电压方向；107、模拟传感器第一接线端；108、模拟传感器第三接线端；109、模拟传感器第二接线端；110、模拟传感器第四接线端；111、第一铁芯磁通线；112、第二铁芯磁通线；113、第一铁芯；114、第二铁芯；115、磁悬浮转轴；117、第一传感器电感线圈；118、第三传感器电感线圈；119、第二传感器电感线圈；120、第四传感器电感线圈；125、铁芯底部镀层；131、sin+接线端；132、sin-接线端；133、X接线端；134、Y接线端；140、第一桥式测量电路电感；141、第二桥式测量电路电感；142、第三桥式测量电路电感；143、第一传感器线圈阻抗臂；144、第二传感器线圈阻抗臂；145、桥式测量电路互感铁芯；151、桥式测量电路第一接线端；152、桥式测量电路第二接线端；153、桥式测量电路第三接线端；154、桥式测量电路接地端。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示为本发明磁悬浮电机位移传感器的结构组成示意图，包括依次连接的模拟传感器201、放大器电路202、A/D转换器203、线性化处理模块204、微处理器205，微处理器205上连接有标准接口206、脉冲输出207、控制门208、显示终端209。其中本传感器具体的工作过程大致如下，模拟传感器201用于将磁悬浮转轴115的位移信号转换为电信号后传入放大器电路202，放大器电路202将接收的电信号放大后传入A/D转换器203后转换为数字信号，数字信号传入线性化处理模块204模块后剔除非线性部分后传入微处理器205，微处理器205接收到线性化处理模块处理后的数据根据当前系统状态以及输入控制信息输出至标准接口206、脉冲输出207、控制门208、显示终端209，其中非线性处理模块功能部分可以集成在微处理器205中。

如图2所示为本发明中差动变间隙式电感模拟传感器部分的结构示意图；其中包括安装在磁悬浮转轴115两侧附近的第一铁芯113、第二铁芯114，磁悬浮转轴115与第一铁芯113与第二铁芯114之间分别存在转轴铁芯上间隙104和转轴铁芯下间隙103，第一铁芯113、第二铁芯114均呈U形，第一铁芯113上设置有第一传感器电感线圈117、第三传感器电感线圈118，第二铁芯114上设置有第二传感器电感线圈119、第四传感器电感线圈120，第一传感器电感线圈117与第二传感器电感线圈119连接，第三传感器电感线圈118与第四传感器电感线圈120连接，其连接方式如图2中所示，第一传感器电感线圈117引出模拟传感器第一接线端107,第三传感器电感线圈118引出模拟传感器第三接线端108，第二传感器电感线圈119引出模拟传感器第二接线端109，第四传感器电感线圈120引出模拟传感器第四接线端110，模拟传感器第一接线端107和模拟传感器第二接线端109之间接入第一电压其电压方向如第一电压方向106所示，模拟传感器第三接线端108与模拟传感器第四接线端110之间接入第二电压其电压方向如第二电压方向105所示，其中第一铁芯磁通线111与第二铁芯磁通线112分别示意第一铁芯113和第二铁芯114中的磁通情况，第一铁芯113与第二铁芯114的底端均设置有铁芯底部镀层125，所述铁芯底部镀层125采用银镀层为宜，典型厚度为1mm-3mm，替代的也可以采用铜镀层。图3为本发明中差动变间隙式电感模拟传感器部分的简化电路原理示意图，其中的第一传感器电感线圈117、第三传感器电感线圈118、第二传感器电感线圈119、第四传感器电感线圈120分别与图2中相应的电感线圈对应，第一传感器电感线圈117与第二传感器电感线圈119中引出X接线端133，第三传感器电感线圈118、第四传感器电感线圈120的连接处引出Y接线端134，第一传感器电感线圈117与第三传感器电感线圈118的连接处引出sin+接线端131，第二传感器电感线圈119与第四传感器电感线圈120的连接处引出sin-接线端132。上述差动变间隙式电感模拟传感器的工作原理如下：当磁悬浮转轴115发生径向位移时，转轴铁芯下间隙103以及转轴铁芯上间隙104的间隙厚度δ1、δ2均发生变化，引起磁路磁阻Rm变化，使电感线圈的电感量变化。

以转轴铁芯下间隙103为例其间隙厚度记为为δ₁，一般情况下，若真空磁导率为μ₀，铁心的固定截面积为S₀，则磁路的磁阻可近似表示为：

R_m＝2δ₁/μ₀S₀ (1)

若传感器线圈匝数为N，流入线圈的电流为I，由磁路欧姆定律可得磁路的磁通为：

φ＝IN/R_m (2)

因此，根据自感系数L的定义式L＝Nφ/I，可导出在电感式传感器中L的计算公式：

L＝Nφ/I＝N²/R_m＝N²μ₀S₀/2δ₁ (3)

式(3)就是本差动变间隙式电感模拟传感器的电感计算公式。从公式中可以看出：当线圈匝数N为电感L仅由磁路中磁阻Rm决定。只要改变气隙厚度δ1，就可以改变电感L的大小。

变气隙式电感传感器只有在测量范围Δδ1/δ1<<1时，高次项将迅速减小，非线性可以得到改善，电感变化量才与间隙位移变化量近似成比例关系。由此可见，传感器的非线性限制了间隙的变化范围，一般取测量范围在Δδ＝0.2mm。若仅采用单侧的铁芯电路来进行位移信号的检测非线性误差大且受其他噪声的影响大，为减小非线性误差以及噪声干扰，这里采用了对称的上下铁芯组成的差动变间隙式传感器的技术方案，当被测体磁悬浮转轴115发生上下位移时，上下铁芯回路中的磁阻Rm发生大小相等、方向相反的变化，使一个线圈电感量增加，另一个线圈电感量减小，形成差动形式。当被测体上移Δδ时，间隙δ1变小、电感量L1增加；间隙δ2变大、电感量L2减小。这种差动变间隙式传感器总的电感变化量为两个电感的变化量之和。因此，这种差动形式的两个电感结构可以抵消温度、噪声干扰的影响。为使两个线圈完全对称，在尺寸、材料、电器参数等方面应该保持完全一致。

图4为本发明中电感模拟传感器部分采用变压器交流电桥式测量电路的电路原理示意图，包括第一桥式测量电路电感140、第二桥式测量电路电感141、第三桥式测量电路电感142、第一传感器线圈阻抗臂143、第二传感器线圈阻抗臂144，其中第一桥式测量电路电感140两端分别引出桥式测量电路第一接线端151、桥式测量电路第二接线端152，第二桥式测量电路电感141、第三桥式测量电路电感142、第二传感器线圈阻抗臂144、第一传感器线圈阻抗臂143依次连接形成桥式环路，其中第二桥式测量电路电感141、第三桥式测量电路电感142的连接处引出桥式测量电路接地端154，第二传感器线圈阻抗臂144、第一传感器线圈阻抗臂143的连接处引出桥式测量电路第三接线端153，第一桥式测量电路电感140与第二桥式测量电路电感141、第三桥式测量电路电感142之间设置有桥式测量电路互感铁芯145。

图2、图3、图4的端子存在下述对应关系，当桥式测量电路第三接线端153对应X接线端133时，图4中的第一传感器线圈阻抗臂143，第二传感器线圈阻抗臂144就分别对应图3中第一传感器电感线圈117、第二传感器电感线圈119；若图2中的模拟传感器第一接线端107对应图3中的sin+接线端131，那么，模拟传感器第二接线端109就对应sin-接线端132，模拟传感器第三接线端108就对应X接线端133，模拟传感器第四接线端110就对应Y接线端134。桥式测量电路第三接线端153、桥式测量电路接地端154作为桥式测量电路的输出端连接至后续放大器电路的输入端，桥式测量电路第一接线端151、桥式测量电路第二接线端152作为桥式测量电路的输入端连接至基准电压输入，当图4中的桥式测量电路第三接线端153、桥式测量电路接地端154对应图2中的模拟传感器第三接线端108、模拟传感器第四接线端110时，桥式测量电路第一接线端151、桥式测量电路第二接线端152对应图2中的模拟传感器第一接线端107、模拟传感器第二接线端109。

我们采用变压器式交流电桥作为该新型传感器的放大电路。变压器式交流电桥如图3所示。两个桥臂是电感传感器线圈的阻抗臂Z1和Z2，另外两个桥臂是交流变压器的次级线圈绕组，其匝数比为1:2，电路由交流电压US供电。当负载无穷大时，桥路输出电压为：

当被测体位于中间位置，即Z1＝Z2＝Z时，显然电桥输出电压为0，U0＝0；

当被测体偏移时，阻抗变化为Z1＝Z+ΔZ，Z2＝Z-ΔZ；桥路输出电压为：

当被测体偏向另一边时，输出电压为：

当被测体上下移动相同距离时，输出电压大小相等，方向相反，相位差为180°。要判断被测体的方向，只要看信号的相位；判断位移的方向可利用相敏检波器进行检测。

变压器式交流电桥的最大特点是：输出阻抗Z比较小，其值为：

通过上述变压器式交流电桥来对检测的模拟信息检测输出。

在传感器投入使用前还需对传感器进行校准，本发明中传感器的校准是利用标准仪器或工具对传感器进行标定。对新研制和生产的传感器，必须在明确传感器的输入/输出关系的前提下，对其进行技术检验，将传感器在使用中进行反复测试，利用被测体的位移作为输入量送入被校准的传感器输入端，再将传感器的输出与输入的标准量进行对比，获得标准的标定数据。

对于磁悬浮电机转子的新型传感器来说，要求校准的基准长期稳定、精度高。而且传感器在经过一段时间的使用后，性能会发生变化，因此需要定期进行校准，甚至需要更换校准的传感器以满足测量精度的要求。

因此对新型传感器进行测试的主要目的是对差动变压器的残余电压进行补偿。测试所需仪器有：振荡器、差动放大器、差动变压器、移相器、相敏检波器，示波器，以及相关的电桥电路等。由于补偿电路的要求，差动变压器的输出必须悬浮。为了使输出波形可以用示波器进行观察，我们一般采用差动放大器将双端输出转换为单端输出。

打开电源，将振荡器输出调制4kHz，用示波器调制输出幅度VPP为2V，将输出接至差动变压器初级。

差动变压器调零，增益旋至最大。

改变铁心位置，用示波器观察，使差动放大器输出电压最小；示波器灵敏度提高时，观察零点残余电压波形的变化。

反复调整电桥的两个平衡网络，使输出电压进一步减小，必要时重新调节铁心位置，读出此时零点残余电压值的大小，与步骤(3)的结果进行比较，注意观察经过补偿后的残余电压波形。

给铁心一个较大的位移，调整移相器使输出电压最大，同时用示波器观察放大器输出波形，调整放大器增益以保证输出波形不失真。从零输出电压开始，每隔1mm读出一个输出电压值并记录。

根据测量结果，画出传感器输入输出特性曲线，并求出传感器的灵敏度。

通过上述的测试校准步骤能够得到传感器输入输出特性曲线，并且可以通过将此整体传感器输入输出特性曲线存储至线性化处理模块(204)中用来过滤测量数据的非线性噪音来减小系统误差所带来的噪声影响，其中对测量数据的处理过程可以采用插值拟合的方式来进行，插值拟合的方式包括多项式插值等常规插值拟合方式，其中线性化处理模块(204)可以采用单独的芯片模块也可以作为独立芯片IP集成至微处理器(205)中。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征在于，包括用于将磁悬浮电机转子位移信号转化为电信号的模拟传感器(201)、用于将模拟传感器(201)输出的电信号放大的放大器电路(202)、用于将放大器电路(202)输出的模拟信号转换为数字信号的A/D转换器(203)、用于处理A/D转换器(203)输出的数字信号的微处理器(205)，所述模拟传感器(201)包括两个差动形式的电感检测模块，所述电感检测模块用于将磁悬浮电机转子的位移变化转化为电感检测模块中的电感变化，使得电感检测模块的输出电压改变，从而将磁悬浮转子位移信号转化为电信号。

2.如权利要求1所述的磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征还在于，两个差动形式的所述电感检测模块包括：第一铁芯(113)、第二铁芯(114)，所述第一铁芯(113)、所述第二铁芯(114)与磁悬浮转轴(115)之间分别存在转轴铁芯上间隙(104)和转轴铁芯下间隙(103)，所述第一铁芯(113)、所述第二铁芯(114)的形状均呈U形，所述第一铁芯(113)上设置有第一传感器电感线圈(117)、第三传感器电感线圈(118)，所述第二铁芯(114)上设置有第二传感器电感线圈(119)、第四传感器电感线圈(120)，所述第一传感器电感线圈(117)与所述第二传感器电感线圈(119)连接，所述第三传感器电感线圈(118)与所述第四传感器电感线圈(120)连接，所述第一传感器电感线圈(117)引出模拟传感器第一接线端(107),所述第三传感器电感线圈(118)引出模拟传感器第三接线端(108)，所述第二传感器电感线圈(119)引出模拟传感器第二接线端(109)，所述第四传感器电感线圈(120)引出模拟传感器第四接线端(110)，所述模拟传感器第三接线端(108)、模拟传感器第四接线端(110)作为模拟传感器的基准电压输出端，模拟传感器第一接线端(107)、模拟传感器第二接线端(109)作为模拟传感器的基准电压输入端。

3.如权利要求1所述的磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征还在于，所述微处理器(205)上连接有标准接口(206)、脉冲输出(207)、控制门(208)、显示终端(209)。

4.如权利要求2所述的磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征还在于，两个差动形式的所述电感检测模块对称设置，且尺寸、材料、电器参数保持完全一致。

5.如权利要求4所述的磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征还在于，所述第一铁芯(113)与所述第二铁芯(114)的底端均设置有铁芯底部镀层(125)，所述铁芯底部镀层(125)采用银镀层，厚度为1mm-3mm。

6.如权利要求2所述的磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征还在于，所述第一传感器电感线圈(117)、所述第三传感器电感线圈(118)、所述第二传感器电感线圈(119)、所述第四传感器电感线圈(120)的线圈绕线为54匝，线径为0.4mm，耐温为180℃。

7.如权利要求1所述的磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征还在于，还包括线性化校准模块(204)，所述线性化校准模块(204)中存储有传感器输入输出特性曲线，用于插值拟合测得的位移数据，所述线性化校准模块(204)为单独的芯片设置或者作为IP模块集成在微处理器(205)中。

8.如权利要求7所述的磁悬浮电机转子位移监测传感器，其特征还在于，所述传感器输入输出特性曲线采用如下步骤测得：

(1)、将振荡器输出调制4kHz，用示波器调制输出幅度VPP为2V，将输出接至差动变压器初级；

(2)、差动变压器调零，增益旋至最大；

(3)、改变铁心位置，用示波器观察，使差动放大器输出电压最小；示波器灵敏度提高时，观察零点残余电压波形的变化；

(4)、反复调整电桥的两个平衡网络，使输出电压进一步减小，必要时重新调节铁心位置，读出此时零点残余电压值的大小，与步骤(3)的结果进行比较，注意观察经过补偿后的残余电压波形；

(5)、给铁心一个较大的位移，调整移相器使输出电压最大，同时用示波器观察放大器输出波形，调整放大器增益以保证输出波形不失真。从零输出电压开始，每隔1mm读出一个输出电压值并记录；

(6)、根据测量结果，得到传感器输入输出特性曲线，并求出传感器的灵敏度。

Images