CN114659438B - 一种差动式位移传感器检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种差动式位移传感器检测装置及检测方法，用于测量高速转动的转子轴向振动，包括被测工件、位移传感器组件和信号处理单元；其中，所述位移传感器组件包括第一传感器探头、第二传感器探头和与所述第一传感器探头、第二传感器探头连接的信号处理单元，且所述第一传感器探头、第二传感器探头均固定设置在所述被测工件的同一侧，所述信号处理单元用于调理分析所述第一传感器探头、第二传感器探头输出的电压信号。将第一传感器探头、第二传感器探头均固定设置在被测工件的同一侧，且二者的探头位于同一探测面上，有效实现差动控制的检测，大大提升了检测的精度。

Description

一种差动式位移传感器检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机检测技术领域，具体涉及一种差动式位移传感器检测装置及检测方法。

背景技术

磁悬浮电机性能中很重要的一部分取决于位移传感器装置的特性，为测量一个移动转子的位置，需要选用非接触式电涡流位移传感器，能够测量一个旋转表面。

目前，使用的电涡流位移传感器检测装置主要有三种方式：

第一种是单独使用一个电涡流位移传感器，如图1所示，使用一个普通的电涡流位移传感器100，安装放置在被测工件7的一侧，则传感器的测量精度会受到温度、噪音、耦合误差等因素的干扰；若使用带有温度补偿的电涡流位移传感器，虽然较普通的电涡流位移传感器精度高很多，但还是会有耦合误差等其他因素的干扰，大大影响了测量的精度。

第二种是使用双边布置的差动式电涡流位移传感器，如图2所示的双边布置的电涡流位移传感器（100、第一电涡流位移传感器；200、第二电涡流位移传感器）的方式在测量高速转动的转子（被测工件7）轴向振动时，要么在转子上设计一个直径适合的圆盘300来双边布置两个电涡流位移传感器（如图2a所示），要么在转子轴的两端分别布置一个电涡流位移传感器（如图2b所示，此时又要考虑转子轴向长度在高温下会膨胀伸长），很显然这为转子的设计和传感器的布置带来了不必要的麻烦，结构复杂，安装不便，且二者传感器检测输出的电压信号与被测工件的距离呈正相关关系，造成可控性、实施性均较差的问题。

第三种是使用动静结合的电涡流位移传感器，如图3所示，其中第二电涡流位移传感器200为动态位移传感器，会实时检测被测工件7的位置，而第一电涡流位移传感器100为静态位移传感器，不参与位置检测，只起到温度补偿的作用，致使测量精度较差的问题。

因此，对于本领域研发人员来说，亟需研发一种具有差动控制的性能，且适合单边布置的特殊工况需求的差动式位移传感器装置。

发明内容

有鉴于此，为解决上述存在的问题，本发明实施例提供了一种差动式位移传感器检测装置，通过将第一传感器探头、第二传感器探头均固定设置在被测工件的同一侧，且二者的探头位于同一探测面上，解决了现有电涡流位移传感器检测装置检测精度不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例一方面提供了一种差动式位移传感器检测装置，该检测装置包括：被测工件，所述被测工件上固定设置有转子推力盘，所述转子推力盘的两侧设置有左、右侧轴向磁轴承；位移传感器组件，包括第一传感器探头、第二传感器探头和与所述第一传感器探头、第二传感器探头连接的信号处理单元，所述信号处理单元与所述左、右侧轴向磁轴承电连接；其中，所述第一传感器探头、第二传感器探头均固定设置在所述被测工件的同一侧，且二者的探头位于同一探测面上，所述信号处理单元用于调理分析所述第一传感器探头、第二传感器探头输出的电压信号。

进一步地，当所述被测工件远离所述同一探测面时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小。

进一步地，当所述被测工件靠近所述同一探测面时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大。

进一步地，所述信号处理单元包括激励电路、耦合电阻、乘法器和低通滤波器。

进一步地，所述第一传感器探头包括第一电感线圈和第一电容，所述第一电容和所述第一电感线圈并联连接，形成第一并联谐振电路；所述第二传感器探头包括第二电感线圈和第二电容，所述第二电容和所述第二电感线圈并联连接，形成第二并联谐振电路。

进一步地，所述第一并联谐振电路输出的电压信号与所述被测工件的距离成正相关关系，所述第二并联谐振电路输出的电压信号与所述被测工件的距离成负相关关系。

进一步地，所述正相关关系的斜率为k1，所述负相关关系的斜率为k2，则k1、k2的绝对值是相等的。

本发明实施例另一方面提供了一种差动式位移传感器检测方法，包括上述任一所述的差动式位移传感器检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

当被测工件向右偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力增大，左侧轴向磁轴承电磁吸力减小，使被测工件向左调整。

本发明实施例另一方面提供了一种差动式位移传感器检测方法，包括上述任一所述的差动式位移传感器检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

当被测工件向左偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力减小，左侧轴向磁轴承电磁吸力增大，使被测工件向右调整。

本发明的有益效果：

本发明通过将第一传感器探头、第二传感器探头均固定设置在被测工件的同一侧，且二者的探头位于同一探测面上，避免了现有电涡流位移传感器温度、噪音、耦合误差等因素的干扰，大大提升了检测的精度。尤其是将本发明的差动式位移传感器检测装置应用于高速旋转的磁悬浮电机上，通过位移传感器组件的第一传感器探头、第二传感器探头感应到的被测工件的被测面距离，转化为左、右轴向磁轴承与转子推力盘的距离，改变了左、右轴向磁轴承与转子推力盘间的磁作用力，进而有效实现差动控制的检测。

具体地，当被测工件向右偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力增大，左侧轴向磁轴承电磁吸力减小，使被测工件向左调整。当被测工件向左偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力减小，左侧轴向磁轴承电磁吸力增大，使被测工件向右调整。进而有效实现差动控制的检测，大大提升了检测的精度。

附图说明

以下附图是用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，且仅旨在于对本发明做示意性的解释和说明，并非用以限制本发明的范围。在附图中：

图1为现有技术中单独使用一个电涡流位移传感器检测装置的结构示意图；

图2为现有技术中双边布置的电涡流位移传感器检测装置的结构示意图；

图2a为现有技术中在转子上设计一个直径适合的圆盘的双边布置的电涡流位移传感器检测装置；

图2b为现有技术中在转子轴的两端分别布置一个电涡流位移传感器的双边布置电涡流位移传感器检测装置；

图3为现有技术中使用动静结合的电涡流位移传感器检测装置的结构示意图；

图4为本申请实施例中的差动式位移传感器检测装置结构示意图；

图5为本申请实施例中的电涡流位移传感器组件输出电压信号与被测工件距离的关系；

图6为本申请实施例中的应用于高速旋转电机的差动式位移传感器检测装置结构示意图；

图7为本申请实施例中的信号处理单元原理框架示意图；

图8为本申请实施例中的位移传感器组件安装结构示意图；

图9为本申请另一实施例中的差动式位移传感器检测方法示意图；

图10为本申请另一实施例中的差动式位移传感器检测方法示意图。

附图标记：

100、第一电涡流位移传感器；200、第二电涡流位移传感器；300、圆盘；1、第一传感器探头；2、第一电感线圈；3、第一电容；4、第二传感器探头；5、第二电感线圈；6、第二电容；7、被测工件；8、转子主轴；9、左径向磁轴承；10、定子；11、右径向磁轴承；12、左轴向磁轴承；13、转子推力盘；14、右轴向磁轴承；20、传感器安装支架；201、第一固定槽；202、第二固定槽。

具体实施方式

下面将以图示揭露本申请的若干个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下、左、右等方向均是以本申请实施例图6所示的上、下、左、右等方向为准，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应随之改变。本申请使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。

实施例一

请参考图4至图6所示，本实施例中的一种差动式位移传感器检测装置，该检测装置包括被测工件7、位移传感器组件和信号处理单元，其中，所述被测工件7上固定设置有转子推力盘13，所述转子推力盘13的两侧设置有左、右侧轴向磁轴承（12、14）。位移传感器组件包括第一传感器探头1、第二传感器探头4和与所述第一传感器探头、第二传感器探头连接的信号处理单元；其中，所述第一传感器探头1、第二传感器探头4均固定设置在所述被测工件7的同一侧，且二者的探头位于同一探测面上，所述信号处理单元用于调理分析所述第一传感器探头、第二传感器探头输出的电压信号。

具体地，将本实施例中的一种差动式位移传感器检测装置应用于如图6所示的高速磁悬浮电机转子轴向振动检测中，包括转子主轴8、前径向磁轴承9、电机定子10、后径向磁轴承11、左侧轴向磁轴承12、转子推力盘13、右侧轴向磁轴承14。本实施例中的被测工件为高速旋转电机的主轴转子，其中，所述前径向磁轴承和后径向磁轴承给转子主轴提供电磁力，使得转子主轴能够无摩擦的悬浮在磁轴承中间。所述左侧轴向磁轴承提供电磁吸力使得所述转子推力盘向左移动，所述右侧轴向磁轴承提供电磁吸力使得所述转子推力盘向右移动。

进一步地，本实施例中的左侧轴向磁轴承12电磁力的大小由第一传感器探头1检测的信号来控制，右侧轴向磁轴承14电磁力的大小由第二传感器探头4检测的信号来控制，当转子主轴向右移动时，第一传感器探头1、第二传感器探头4与转子的轴向距离减小，此时第一传感器探头1反馈输出的电压信号增大，说明左侧轴向磁轴承12与转子推力盘13之间的电磁力增大，右侧轴向磁轴承14与转子推力盘13之间的电磁力减小，使得转子主轴不再继续向右移动。

利用本实施例的技术方案，通过将第一传感器探头、第二传感器探头安装在被测工件同一侧的传感器支架上，且保证第一传感器探头、第二传感器探头位于同一探测面上。可以理解为，被测工件距离第一传感器探头、第二传感器探头的距离始终是相等的，利于保障本发明实施例的差动控制性能，提升整体测试精度。同时也避免了现有电涡流位移传感器温度、噪音、耦合误差等因素的干扰，大大提升了检测的精度。尤其是将本发明的差动式位移传感器检测装置应用于高速旋转的磁悬浮电机上，通过位移传感器组件的第一传感器探头、第二传感器探头感应到的被测工件的被测面距离，转化为左、右轴向磁轴承与转子推力盘的距离，改变了左、右轴向磁轴承与转子推力盘间的磁作用力，进而有效实现差动控制的检测。当被测工件向右偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力增大，左侧轴向磁轴承电磁吸力减小，使被测工件向左调整。当被测工件向左偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力减小，左侧轴向磁轴承电磁吸力增大，使被测工件向右调整。进而有效实现差动控制的检测，大大提升了检测的精度。

实施例二

结合图7所示的信号处理单元原理框架示意图，本实施例是在实施例一的基础上，作为一种具体的实施方式，本实施例中的信号处理单元包括激励电路、耦合电阻、乘法器和低通滤波器。激励电路产生高频信号经过耦合电阻Rs送给电感线圈和电容组成的并联谐振电路，被测工件位置变化引起的探头线圈高频信号幅值变化，这相当于将被测工件位置变化调制到激励信号上，乘法器将调制后的信号和激励信号作乘法，输出一对改变了相位的信号到低通滤波器，调幅信号通过低通滤波器后，滤掉了高频载波信号，得到被测工件位置变化信号。

具体地，结合图4所示，本实施例中的第一传感器探头1包括第一电感线圈2和第一电容3，所述第一电容3和所述第一电感线圈2并联连接，形成第一并联谐振电路；所述第二传感器探头4包括第二电感线圈5和第二电容6，所述第二电容6和所述第二电感线圈5并联连接，形成第二并联谐振电路。进一步地，结合图5所示，本实施例中的第一并联谐振电路输出的电压信号U与所述被测工件的距离D成正相关关系，所述第二并联谐振电路输出的电压信号U与所述被测工件的距离D成负相关关系。更进一步地，所述正相关关系的斜率为k1，所述负相关关系的斜率为k2，则k1、k2的绝对值是相等的。

需要说明的是，本实施例采用高频信号对第一、二并联谐振回路进行激励，在第一、二电感线圈上就会产生高频交变磁场，当被测工件靠近传感器探头时，传感器探头的并联谐振电路的等效阻抗、等效电感会发生变化，经信号处理电路调理，便可以得到电压信号U与距离D的关系。再者，本实施例中的第一电容2和第二电容6的取值会直接影响第一传感器探头和第二传感器探头的输出电压信号U与被测工件距离D的关系。可以理解为，当第一电容取得一个合适的容值后，第一传感器探头A输出的电压信号和被测工件距离成正相关关系，当第二电容取得一个合适的容值后，第二传感器探头输出的电压信号和被测工件距离成负相关关系。电容的取值，受位移传感器线圈的线径、匝数、直径等参数的影响，并且“合适的容值”和系统所需灵敏度、线性度也有一定关系。因此，第一电容、第二电容的取值会直接影响第一、二传感器探头的输出信号和距离呈现的关系，其关系可以用斜率来表示。鉴于此，所述“合适的容值”要满足两个基本条件，一是保证两个探头呈现的斜率相反，二是保证两个探头呈现的斜率的绝对值近似相等。

结合图5所示，当被测工件靠近第一、二传感器探头时，第一传感器探头输出的电压信号减小，第二传感器探头输出的电压信号增加，因为斜率的绝对值近似相等，其变化量会一样，有利于实现线性差动控制，差动控制效果会更好。

如图8所示的位移传感器组件安装固定结构示意图，本实施例中的一种差动式位移传感器检测装置还包括用于安装固定所述第一传感器探头、第二传感器探头的传感器安装支架20，所述传感器安装支架固定连接在高速旋转电机的壳体上，所述传感器安装支架20的中部位置开设有用于安装所述第一传感器探头1的第一固定槽201和用于安装所述第二传感器探头4的第二固定槽202。

进一步地，所述第一固定槽201和第二固定槽202沿轴向方向的槽壁上设置有用于夹持第一、二传感器探头的弹性件，所述弹性件远离所述槽壁的一端设置为与位移传感器外部壳体相适配的圆弧面。本实施例通过槽壁上弹性件的伸缩夹持，一方面能够牢固固定传感器探头，另一方面还能够满足安装不同尺寸的传感器探头，使用起来非常方便。也就是说，本实施例通过将第一、二传感器探头设置在被测工件的同一侧，并通过简单结构的传感器安装支架固定安装在高速旋转电机的壳体上，具有结构简单、可控性和可实施性较强的有益效果。

实施例三

如图9所示的一种差动式位移传感器检测方法，本实施例包括实施例一、实施例二任一所述的差动式位移传感器检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

当被测工件向右偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力增大，左侧轴向磁轴承电磁吸力减小，使被测工件向左调整。

如图10所示的一种差动式位移传感器检测方法，本实施例包括实施例一、实施例二任一所述的差动式位移传感器检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

当被测工件向左偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力减小，左侧轴向磁轴承电磁吸力增大，使被测工件向右调整。

综上，本发明实施例通过将第一传感器探头、第二传感器探头均固定设置在被测工件的同一侧，且二者的探头位于同一探测面上，避免了现有电涡流位移传感器温度、噪音、耦合误差等因素的干扰，大大提升了检测的精度。尤其是将本发明的差动式位移传感器检测装置应用于高速旋转的磁悬浮电机上，通过位移传感器组件的第一传感器探头、第二传感器探头感应到的被测工件的被测面距离，转化为左、右轴向磁轴承与转子推力盘的距离，改变了左、右轴向磁轴承与转子推力盘间的磁作用力，进而有效实现差动控制的检测。

具体地，当被测工件向右偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力增大，左侧轴向磁轴承电磁吸力减小，使被测工件向左调整。当被测工件向左偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力减小，左侧轴向磁轴承电磁吸力增大，使被测工件向右调整。进而有效实现差动控制的检测，大大提升了检测的精度。

上述说明示出并描述了本申请的优选实施方式，但如前对象，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文对象构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种差动式位移传感器检测装置，用于测量高速转动的转子轴向振动，其特征在于，包括：

被测工件，所述被测工件上固定设置有转子推力盘，所述转子推力盘的两侧设置有左、右侧轴向磁轴承；

位移传感器组件，包括第一传感器探头、第二传感器探头和与所述第一传感器探头、第二传感器探头连接的信号处理单元；

其中，所述第一传感器探头、第二传感器探头均固定设置在所述被测工件的同一侧，且二者的探头位于同一探测面上，所述信号处理单元用于调理分析所述第一传感器探头、第二传感器探头输出的电压信号；

当所述被测工件远离所述同一探测面时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小；

当所述被测工件靠近所述同一探测面时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大。

2.如权利要求1所述的一种差动式位移传感器检测装置，其特征在于，所述信号处理单元包括依次串接的耦合电阻、激励电路、乘法器和低通滤波器，所述第一传感器探头、第二传感器探头的输出端连接在所述耦合电阻上。

3.如权利要求1所述的一种差动式位移传感器检测装置，其特征在于，所述第一传感器探头包括第一电感线圈和第一电容，所述第一电容和所述第一电感线圈并联连接，形成第一并联谐振电路；

所述第二传感器探头包括第二电感线圈和第二电容，所述第二电容和所述第二电感线圈并联连接，形成第二并联谐振电路。

4.如权利要求3所述的一种差动式位移传感器检测装置，其特征在于，所述第一并联谐振电路输出的电压信号与所述被测工件的距离成正相关关系，所述第二并联谐振电路输出的电压信号与所述被测工件的距离成负相关关系。

5.如权利要求4所述的一种差动式位移传感器检测装置，其特征在于，所述正相关关系的斜率为k1，所述负相关关系的斜率为k2，则k1、k2的绝对值是相等的。

6.一种差动式位移传感器检测方法，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的一种差动式位移传感器检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

当被测工件向右偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐增大，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐减小，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力增大，左侧轴向磁轴承电磁吸力减小，使被测工件向左调整。

7.一种差动式位移传感器检测方法，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的一种差动式位移传感器检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

当被测工件向左偏移时，所述第一传感器探头输出的电压信号逐渐减小，所述第二传感器探头输出的电压信号逐渐增大，此时右侧轴向磁轴承电磁吸力减小，左侧轴向磁轴承电磁吸力增大，使被测工件向右调整。

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