CN115854844A - 一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统。本发明包括电磁悬浮‑驱动系统、转子、3个侧向传感线圈和2个底部传感线圈，转子设置在电磁悬浮‑驱动系统的上部内，3个侧向传感线圈沿圆周间隔地固定安装在转子的外圆周侧面，3个侧向传感线圈均与转子间隔布置，2个底部传感线圈间隔地固定安装在转子的铝片的下方。本发明仅用5个传感线圈就可以实现2个径向位移、轴向位移和转角共4个自由度测量，并实现了前级电路线圈部分的温度补偿。该无接触式测量系统在测量同等数量的自由度时，大大减少了传感器数量，降低了测量成本。

Description

一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统

技术领域

本发明涉及磁悬浮转子多自由度传感领域的一种磁悬浮转子自由度检测系统，特别是涉及一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统。

背景技术

在半导体制造、高纯化工以及生物医药等领域中，有很多场合需要使用磁悬浮泵。由于这些磁悬浮系统的特殊测量需求，它们的测量定位方式必须要实现非接触式传感。

在目前测量方式中，需要多种传感方式相组合的方式才能获取悬浮转子的关键自由度的信息。例如，在电磁悬浮驱动系统的实际应用中，通常使用激光式、电感式或电容式等传感器来获取转子位移信息。又用光电编码或磁编码等传感器来获取角度信息。这些不同测量类型的传感器，由于测量原理不同，因此部分信息重复测量和补偿(如温度漂移和温度补偿)，造成了传感器数量冗余，增加测量成本。

目前，基于线圈阻抗的测量方法是位移测量方法中使用率高、成本较低的一种方案，其仅包含测量线圈及后处理电路。但测量线圈的阻抗值随温度变化的影响较大，对于后续的标定及测量有很大的影响。并且目前还没有利用多个线圈与测量物形状的关系反求出多自由度信息的方案。若能利用同种原理完成对所有关键自由度的测量，那么这种方案将会有效解决多自由度测量中传感器数量冗余的问题并节约成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统。转子部分包括永磁体转子和铝片。分布在永磁体侧方的线圈用于测量转子径向位移并实现温度补偿，分布在铝片下方的线圈用于测量转子轴向位移和角度。通过理论推导提出了转子位移或转角变化引起的线圈阻抗变化和测量电路输出电压变化的测量方法。该测量系统仅用5个传感线圈就可以实现2个径向位移、轴向位移和转角共4个自由度测量，并实现了前级电路线圈部分的温度补偿。该无接触式测量系统在测量同等数量的自由度时，大大减少了传感器数量，降低了测量成本。

本发明的技术方案如下：

本发明包括电磁悬浮-驱动系统、转子、3个侧向传感线圈和2个底部传感线圈，转子设置在电磁悬浮-驱动系统的上部内，3个侧向传感线圈沿圆周间隔地固定安装在转子的外圆周侧方的电磁悬浮-驱动系统中，2个底部传感线圈设置在电磁悬浮-驱动系统内，2个底部传感线圈间隔地固定安装在转子的下方。

所述转子包括铝片、永磁体和非金属连接物，永磁体与铝片之间通过非金属连接物进行连接，铝片为中部开设有正圆孔的环状铝片，环状铝片的径向宽度与轴向转角之间呈线性关系。

所述3个侧向传感线圈记为第一-第三侧向传感线圈，第一-第三侧向传感线圈的中心轴线与电磁悬浮-驱动系统的轴线垂直，第一侧向传感线圈和第二侧向传感线圈的中心轴线垂直，第三侧向传感线圈设置在第一侧向传感线圈和第二侧向传感线圈之间。

以所述3个侧向传感线圈的中心轴线的交点为原点，在3个侧向传感线圈的中心轴线所在平面建立xy坐标系，电磁悬浮-驱动系统的轴线为z轴，3个侧向传感线圈的中心轴线分别设置在x轴，y轴和y＝ax上，其中y表示y轴坐标值，x表示x轴坐标值，a表示第一系数。

所述2个底部传感线圈结构相同，第一底部传感线圈和第二底部传感线圈在同一平面中并且两者间隔布置，第一底部传感线圈和第二底部传感线圈的中心轴线与电磁悬浮-驱动系统的轴线平行，2个底部传感线圈的线圈截面为细长状，2个底部传感线圈的长对称线之间存在夹角γ，2个底部传感线圈的线圈截面的长对称线的延长线交点记为圆心并在转子的轴线上，2个底部传感线圈记为第一、第二底部传感线圈，第一底部传感线圈以圆心逆时针旋转的角度γ后与第二底部传感线圈重合；第一底部传感线圈和第二底部传感线圈均设置在转子的下方。

所述电磁悬浮-驱动系统定子部分包括7字型硅钢组、悬浮驱动绕组和底部圆形硅钢；7字型硅钢组固定安装在底部圆形硅钢上，转子设置在7字型硅钢组上端的中部内，7字型硅钢组上绕制有悬浮驱动绕组，转子设置在悬浮驱动绕组上方的7字型硅钢组中，3个侧向传感线圈固定在悬浮驱动绕组上的7字型硅钢组的齿槽中，2个底部传感线圈固定安装在转子下方的7字型硅钢组围成的空间内部；

7字型硅钢组包括多根7字型硅钢，多根7字型硅钢沿圆周等间隔地固定安装在底部圆形硅钢上；每根7字型硅钢中，7字型硅钢都绕制有悬浮驱动绕组，转子设置在多根7字型硅钢上端的内侧面之间；由7字型硅钢组中所有悬浮驱动线圈组成悬浮驱动绕组。

采集并获得所述3个侧向传感线圈和2个底部传感线圈的电压，计算获得转子在xyz轴上的位移Δx,Δy,Δz以及偏转角Δθ，计算公式如下：

其中，U₁是x轴方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₂是y轴方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₃是y＝ax方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₄是第一底部传感线圈对应的处理电路的输出电压，U₅是第二底部传感线圈对应的处理电路的输出电压，k_r为侧方传感线圈3的电压-位移系数，b为通过线性化后的电感-位移曲线的斜率，c为通过线性化后的电感-位移曲线的截距，U_T表示温漂变量，U₀₁表示侧方传感线圈的初始输出电压，U₀₂表示底部传感线圈的初始输出电压。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下有益效果。

本发明可以实现多个关键自由度的无接触式测量，并可用在超洁净环境中。本发明中线圈的前级电路采用差动式电桥测量电路，具有很好的稳定性和较高的输出灵敏度。本发明仅用5个传感线圈就可以实现2个径向位移、轴向位移和转角共4个自由度测量，以及完成线圈的温漂补偿。相比于测量同等数量的自由度方案，大大降低了测量成本。

与单一传感器对位移的测量相比，本测量方法通过理论计算补偿了线圈中的温漂，提高了测量精度。本发明可将轴向线圈上2个电压信号解耦出轴向位移及转角，并可用于测量，方法新颖，测量精度高。

附图说明

图1为单线圈测量系统负载模型等效电路。

图2为差动式交流电桥阻抗测量电路。

图3为多自由度传感系统及悬浮驱动系统在空间上的位置分布关系图。

图4为多自由度传感系统的各部分相对位置示意图。

图5为传感系统相对位置俯视图。

图6为铝片与线圈的相对位置图。

图7为传感系统相对位置正视图。

图8为下方线圈上的转子轴向位置、转角与阻抗的线性关系图。

图中：转子1，铝片11，永磁体12，非金属连接物13，7字型硅钢2，侧向传感线圈3，悬浮驱动绕组5，底部圆形硅钢7，底部传感线圈8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图3所示，系统包括电磁悬浮-驱动系统、转子1、3个侧向传感线圈3和2个底部传感线圈8，3个侧向传感线圈3和2个底部传感线圈8的结构相同，转子1设置在电磁悬浮-驱动系统的上部内，3个侧向传感线圈3沿圆周间隔地固定安装在转子1的外圆周侧方的电磁悬浮-驱动系统中，3个侧向传感线圈3设置在转子的侧方，转子1的轴向运动范围不超过侧向传感线圈3的轴向长度，3个侧向传感线圈3均与转子1间隔布置，转子1未移动时，3个侧向传感线圈3与永磁体12表面距离相等，2个底部传感线圈8设置在电磁悬浮-驱动系统内，2个底部传感线圈8间隔地固定安装在转子1的铝片11的下方，2个底部传感线圈8与转子1之间间隔布置。

转子1包括铝片11、永磁体12和非金属连接物13，永磁体与铝片11之间通过非金属连接物13进行连接，永磁体12和铝片11之间上下间隔布置，铝片11为中部开设有正圆孔的环状铝片，环状铝片的径向宽度与轴向转角之间呈线性关系。

3个侧向传感线圈3记为第一-第三侧向传感线圈，第一-第三侧向传感线圈的中心轴线相交于同一个点，该点在电磁悬浮-驱动系统的轴线上，第一-第三侧向传感线圈的中心轴线与电磁悬浮-驱动系统的轴线垂直，第一侧向传感线圈和第二侧向传感线圈的中心轴线垂直，第三侧向传感线圈设置在第一侧向传感线圈和第二侧向传感线圈之间。

以3个侧向传感线圈3的中心轴线的交点为原点，在3个侧向传感线圈3的中心轴线所在平面建立xy坐标系，电磁悬浮-驱动系统的轴线为z轴，3个侧向传感线圈3的中心轴线分别设置在x轴，y轴和y＝ax上，其中y表示y轴坐标值，x表示x轴坐标值，a表示第一系数。

2个底部传感线圈8结构相同，第一底部传感线圈和第二底部传感线圈在同一平面中并且两者间隔布置，第一底部传感线圈和第二底部传感线圈的中心轴线与电磁悬浮-驱动系统的轴线平行，2个底部传感线圈8的线圈截面为细长状，2个底部传感线圈8的长对称线之间存在夹角γ(本实施例中夹角为90°)，即2个底部传感线圈8的短对称线之间垂直，2个底部传感线圈8的线圈截面的长对称线的延长线交点记为圆心并在转子1的轴线上，2个底部传感线圈8记为第一、第二底部传感线圈，第一底部传感线圈从z轴负方向看以圆心逆时针旋转γ后与第二底部传感线圈重合；第一底部传感线圈和第二底部传感线圈均设置在转子1的下方，具体地，第一底部传感线圈和第二底部传感线圈的线圈截面中两个长端分别设置在环状铝片的正圆孔内和外轮廓外。

电磁悬浮-驱动系统定子部分包括7字型硅钢组、悬浮驱动绕组5和底部圆形硅钢7；7字型硅钢组固定安装在底部圆形硅钢7上，转子1设置在7字型硅钢上端的中部内，7字型硅钢组上绕制有悬浮驱动绕组5，转子1设置在悬浮驱动绕组5上方的7字型硅钢组中，3个侧向传感线圈3固定在悬浮驱动绕组5上的7字型硅钢组的齿槽中，2个底部传感线圈8固定安装在转子1下方的7字型硅钢组围成的空间内部；

7字型硅钢组包括多根7字型硅钢2，多根7字型硅钢2沿圆周等间隔地固定安装在底部圆形硅钢7上；每根7字型硅钢2中，7字型硅钢2都绕制有悬浮驱动绕组5，转子1设置在多根7字型硅钢2上端的内侧面之间；由7字型硅钢组中所有悬浮驱动线圈组成悬浮驱动绕组5。这6个悬浮驱动线圈通入叠加后的悬浮电流与驱动电流，通过独立控制的方式来产生所设定的悬浮力和驱动扭矩。

所述的多自由度传感系统包括被测的转子1及侧向传感线圈3和底部传感线圈8，以及连接线圈的后处理电路。每个传感线圈的前级电路采用差动式电桥测量电路，线圈的测量距离与其阻抗呈线性关系，线圈中阻抗的变化与电桥中的电势差呈现近似线性的关系。且以上的线性关系均通过理论推导验证，因此可以满足测量需求。

在线圈中通入的高频激励电流会产生的高频交变磁场，在测量物表面激发出的高频感应电流进一步激发出了反磁场，而使线圈的阻抗发生变化。而不同测量物或线圈的形状可以在测量物表面感应出不同形状的电涡流。通过设计测量物或线圈的形状，可以从中提取出多种的信息，应用于多自由度的测量。根据感应电流原理，被测物的位移与探测线圈的等效阻抗有关，因此探测线圈的等效阻抗Z可写成：

Z＝f(d)

其中，f(d)表示线圈阻抗与线圈与测量物表面之间的距离d之间的映射关系。

因此，在这个测量过程中，传感系统和被测导体可等效成一个变压器模型，其负载等效电路如图1所示。传感线圈的负载等效阻抗为：

式中，

表示输入的交变电压，/>

表示传感线圈中的交变电流，R₁为线圈自身的电阻，被测导体表面产生的电涡流路径的包络可以看成一个单匝线圈，其电阻量和电感量可以分别表示R₂和L₂，ω表示交变电压的频率；L₁为线圈自身的电感；M为线圈和被测导体之间的互感，大小为/>

是耦合系数，0<k<1。图2为测量系统的前级电路，采用差动式交流电桥电路，传感线圈一般作为电桥电路中的一条支路。这种前级电路一般具有较好的系统稳定性和输出灵敏度。平衡状态下电桥中的节点1和节点2的电势差为零，即ΔU₀等于零。当被测导体靠近传感线圈时，线圈阻抗Z_x发生改变，交流电桥失去平衡，电桥电路的输出电压不为零，即实现了线圈阻抗到电压量的转换。此时节点1和节点2之间的电势差ΔU₀为：

其中，Z₁表示图2中前级电路中已设置有的左上桥臂线圈的阻抗，Z₂表示右上桥臂线圈的阻抗，Z₃表示左下桥臂线圈的阻抗，U_i表示输入的激励源的电压。

前级电路输出的电压后续仍需通过后级电路进行放大和滤波，前级电路输出电势差ΔU₀和处理电路最终输出电压U_out呈线性关系。因此，在此测量系统中，在一定测量区域内，等效阻抗Z_x和处理电路最终输出电压U_out呈近似线性的关系，并可以用位移变化来反应。

U_out＝KΔd+U₀

其中，U_out表示处理电路最终输出电压，Δd表示测量物的实际位移。测量电路的初始输出电压为U₀。3个侧方传感线圈的初始输出电压相同，均记为U₀₁。2个底部传感线圈的初始输出电压相同，均记为U₀₂。

图3为多自由度传感系统及悬浮驱动系统在空间上的位置分布关系图。

图4为多自由度传感系统的各部分在空间上的相对位置分布示意图。

如图5所示，传感系统中侧方的3个线圈分别位于x轴、y轴和y＝ax(a＝1)上。线圈中的电阻会随温度而变化，因此单独引入温漂变量U_T。侧方3个线圈的处理电路输出电压可表示为式中U₁～U₃，

如图6展示了下方2个传感线圈与铝片之间的径向位置关系，此处下方的2个线圈分别位于x轴、y轴上，相隔90°，即γ＝90°。铝片的最大宽度小于线圈的长度，以保证转子在每个角度时，线圈都有唯一的阻抗值与其对应。随着转子旋转，铝片与线圈相交的宽度会线性增加，进而使转子转角与线圈输出电压之间呈线性关系。传感系统中。引入温漂变量后，下方2个线圈的处理电路输出电压可表示为式中U₄～U₅。

图7展示了永磁体转子与侧方的3个传感线圈之间的位置关系以及下方2个传感线圈与铝片之间的轴向位置关系。转子轴向位置的变化需要保证在侧方传感线圈的轴向长度以内，因此转子轴向位置的变化不会引起侧方传感线圈阻抗的变化。线性转角-宽度轮廓线在平面极坐标系中的表达式为r＝r₀+kθ，从表达式中可以看出宽度r与转角θ呈线性关系。因此，当转角变化时，在铝片中感应的电涡流区域的宽度也会线性变化。电涡流区域的宽度变化导致线圈的阻抗变化，最后反应到处理电路的输出电压中，即2个底部传感线圈8的输出电压与转角之间呈线性关系。转子轴向位置的变化也会使下方的线圈的阻抗发生变化，因此在本系统中处理电路输出的是转子轴向位置Δz和转角Δθ之间互相耦合的电压信号。因此，通过本发明提出的计算方法，可以轴向位移和转角将这2部分信息分别从电压值中解耦并求解出来。

图8是下方传感线圈上采集到的转子轴向位置Δz、转角Δθ与阻抗Z_x的线性关系图。k_θ(Δz)函数为当转子轴向位移为Δz时，测量线圈上的电压-转子转角关系函数，此函数中的斜率系数会随着轴向位置变化而发生变化。因为阻抗Z_x会与距离d呈线性关系，所以阻抗Z_x可被当作距离d的一次函数，参数b,c均为可以通过测量而得到的常数。

通过以上推导的关系，可以得到测量线圈的5个电压方程和电压-转角关系函数k_θ(Δz)。方程组如下，其中k_r为径向上的测量线圈的电压-位移系数，a为测量线圈在笛卡尔坐标系中任意安装角度的正切值，以上参数均可通过测量和安装设计过程得到。

通过求解上述的方程组，可以根据U₁～U₅的电压值确定出唯一的一组解。

采集并获得3个侧向传感线圈3和2个底部传感线圈8的电压，计算获得转子1在xyz轴上的位移Δx,Δy,Δz以及偏转角Δθ并记为转子1的4个关键自由度，计算公式如下：

其中，U₁是x轴方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₂是y轴方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₃是y＝ax方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₄是第一底部传感线圈对应的处理电路的输出电压，U₅是第二底部传感线圈对应的处理电路的输出电压，k_r为侧方传感线圈3的电压-位移系数，b为通过线性化后的电感-位移曲线的斜率，c为通过线性化后的电感-位移曲线的截距，U_T表示温漂变量，U₀₁表示侧方传感线圈的初始输出电压，U₀₂表示底部传感线圈的初始输出电压。

Claims (7)

1.一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统，其特征在于，包括电磁悬浮-驱动系统、转子(1)、3个侧向传感线圈(3)和2个底部传感线圈(8)，转子(1)设置在电磁悬浮-驱动系统的上部内，3个侧向传感线圈(3)沿圆周间隔地固定安装在转子(1)的外圆周侧方的电磁悬浮-驱动系统中，2个底部传感线圈(8)设置在电磁悬浮-驱动系统内，2个底部传感线圈(8)间隔地固定安装在转子(1)的下方。

2.根据权利要求1所述的一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统，其特征在于，所述转子(1)包括铝片(11)、永磁体(12)和非金属连接物(13)，永磁体与铝片(11)之间通过非金属连接物(13)进行连接，铝片(11)为中部开设有正圆孔的环状铝片，环状铝片的径向宽度与轴向转角之间呈线性关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统，其特征在于，所述3个侧向传感线圈(3)记为第一-第三侧向传感线圈，第一-第三侧向传感线圈的中心轴线与电磁悬浮-驱动系统的轴线垂直，第一侧向传感线圈和第二侧向传感线圈的中心轴线垂直，第三侧向传感线圈设置在第一侧向传感线圈和第二侧向传感线圈之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统，其特征在于，以所述3个侧向传感线圈(3)的中心轴线的交点为原点，在3个侧向传感线圈(3)的中心轴线所在平面建立xy坐标系，电磁悬浮-驱动系统的轴线为z轴，3个侧向传感线圈(3)的中心轴线分别设置在x轴，y轴和y＝ax上，其中y表示y轴坐标值，x表示x轴坐标值，a表示第一系数。

5.根据权利要求4所述的一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统，其特征在于，所述2个底部传感线圈(8)结构相同，第一底部传感线圈和第二底部传感线圈在同一平面中并且两者间隔布置，第一底部传感线圈和第二底部传感线圈的中心轴线与电磁悬浮-驱动系统的轴线平行，2个底部传感线圈(8)的线圈截面为细长状，2个底部传感线圈(8)的长对称线之间存在夹角γ，2个底部传感线圈(8)的线圈截面的长对称线的延长线交点记为圆心并在转子(1)的轴线上，2个底部传感线圈(8)记为第一、第二底部传感线圈，第一底部传感线圈以圆心逆时针旋转的角度γ后与第二底部传感线圈重合；第一底部传感线圈和第二底部传感线圈均设置在转子(1)的下方。

6.根据权利要求1所述的一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统，其特征在于，所述电磁悬浮-驱动系统定子部分包括7字型硅钢组、悬浮驱动绕组(5)和底部圆形硅钢(7)；7字型硅钢组固定安装在底部圆形硅钢(7)上，转子(1)设置在7字型硅钢组上端的中部内，7字型硅钢组上绕制有悬浮驱动绕组(5)，转子(1)设置在悬浮驱动绕组(5)上方的7字型硅钢组中，3个侧向传感线圈(3)固定在悬浮驱动绕组(5)上的7字型硅钢组的齿槽中，2个底部传感线圈(8)固定安装在转子(1)下方的7字型硅钢组围成的空间内部；

7字型硅钢组包括多根7字型硅钢(2)，多根7字型硅钢(2)沿圆周等间隔地固定安装在底部圆形硅钢(7)上；每根7字型硅钢(2)中，7字型硅钢(2)都绕制有悬浮驱动绕组(5)，转子(1)设置在多根7字型硅钢(2)上端的内侧面之间；由7字型硅钢组中所有悬浮驱动线圈组成悬浮驱动绕组(5)。

7.根据权利要求5所述的一种基于电涡流形状检测的磁悬浮转子多自由度传感系统，其特征在于，采集并获得所述3个侧向传感线圈(3)和2个底部传感线圈(8)的电压，计算获得转子(1)在xyz轴上的位移Δx,Δy,Δz以及偏转角Δθ，计算公式如下：

其中，U₁是x轴方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₂是y轴方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₃是y＝ax方向上的侧方传感线圈3对应的处理电路的输出电压，U₄是第一底部传感线圈对应的处理电路的输出电压，U₅是第二底部传感线圈对应的处理电路的输出电压，k_r为侧方传感线圈3的电压-位移系数，b为通过线性化后的电感-位移曲线的斜率，c为通过线性化后的电感-位移曲线的截距，U_T表示温漂变量，U₀₁表示侧方传感线圈的初始输出电压，U₀₂表示底部传感线圈的初始输出电压。

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