1 前言
反饋信號(hào)傳感器是電磁軸承系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子工作位置的控制精度，因而是所有研究者都必須考慮的問(wèn)題之一。為了與電磁軸承的研究和應(yīng)用相配合，國(guó)外在電磁軸承用傳感器方面作了一定的研究，并獲得了一些成果［1～6］，我們?cè)陂_展電磁軸承研究的同時(shí)，也對(duì)其專用位移傳感器進(jìn)行了探索性研究。電磁軸承系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了反饋信號(hào)傳感器必須是非接觸式的。在電磁軸承系統(tǒng)中，可為傳感器反饋的信號(hào)有許多種，如：位移、速度、電流、電磁力、磁通量等物理量均可作為反饋控制的信號(hào)。目前多采用位移傳感器，軸向軸承亦可采用速度傳感器。由于技術(shù)上的原因，大多數(shù)研究者采用電渦流位移傳感器。電渦流位移傳感器的靈敏度和線性度可以滿足一般電磁軸承系統(tǒng)的要求，但對(duì)于高精度的電磁軸承系統(tǒng)，其靈敏度和線性度等技術(shù)指標(biāo)距離要求有一定的差距；若每自由度采用單個(gè)電渦流位移傳感器，還會(huì)出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)原因而產(chǎn)生的測(cè)量誤差信號(hào)(此內(nèi)容另文討論)，使控制精度降低。使用兩個(gè)電渦流位移傳感器差動(dòng)輸出雖然可以克服上述缺陷，但成本會(huì)提高，結(jié)構(gòu)更趨于復(fù)雜。文獻(xiàn)［7］將電渦流傳感器和電感式傳感器做了對(duì)比分析研究，結(jié)果表明電感式傳感器的靈敏度的信噪比均高于電渦流傳感器，線性范圍亦可滿足電磁軸承系統(tǒng)的要求，特別在結(jié)構(gòu)上可以得到簡(jiǎn)化。目前，國(guó)際上選用基于差動(dòng)變壓器原理的電感式位移傳感器［8］，其靈敏度為20mv/μm，使用效果良好，并已形成產(chǎn)品化趨勢(shì)。事實(shí)上，對(duì)電磁軸承系統(tǒng)而言，差動(dòng)式的位移傳感器均能符合其實(shí)用要求。國(guó)內(nèi)在差動(dòng)電感位移傳感器方面僅限于接觸式的［9］，而在非接觸式差動(dòng)電感位移傳感器的應(yīng)用研究和生產(chǎn)方面尚屬空白。
本文對(duì)軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的穩(wěn)定性與位移傳感器的關(guān)系，以及電磁軸承對(duì)傳感器的基本要求進(jìn)行了分析討論，在差動(dòng)電感式變氣隙位移傳感器基本工作原理的基礎(chǔ)上，提出一種應(yīng)用于軸向磁力軸承的差動(dòng)電感式位移傳感器的設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行了其靜特性的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果說(shuō)明此種傳感器具有開發(fā)應(yīng)用的前景［10］。
2 軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)與位移傳感器
2.1軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理
圖1軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖1是軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖中轉(zhuǎn)子的軸向位置由系統(tǒng)控制器(包括位移傳感器、調(diào)節(jié)器的功率放大器)精密地控制。當(dāng)轉(zhuǎn)子由于受到外來(lái)干擾力或其他原因出現(xiàn)軸向位移時(shí)，位移量由位移傳感器測(cè)出，經(jīng)位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)ux，與參考信號(hào)ur比較后得到差值信號(hào)ue，再由調(diào)節(jié)器進(jìn)行幅值和相位的校正，得到的信號(hào)電壓uc被功率放大器和電磁鐵轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電磁力，使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到設(shè)定的位置上。
2.2磁懸浮軸承系統(tǒng)對(duì)位移傳感器的要求
由結(jié)構(gòu)圖可知，電磁軸承系統(tǒng)對(duì)位移傳感器的首要要求是非接觸式的。從理論上看，利用電容、電感、光敏、光柵、霍爾效應(yīng)、激光、磁阻抗及聲波等均可達(dá)到此目的［1］。電磁軸承對(duì)位移傳感器的要求還有：能真實(shí)地反映出轉(zhuǎn)子的位置變化；有很高的靈敏度、信噪比、線性度、溫度穩(wěn)定性、抗干擾能力以及精確的重復(fù)性，同時(shí)也要求有相應(yīng)的頻率響應(yīng)范圍。目前，電磁軸承系統(tǒng)主要應(yīng)用的電渦流式位移傳感器，測(cè)量的都是轉(zhuǎn)子表面的移動(dòng)情況，這只能間接地反映轉(zhuǎn)子中心的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反饋信號(hào)中還包含著轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)情況；傳感器的安裝位置、應(yīng)用方式對(duì)測(cè)量結(jié)果也有影響，這些影響在徑向磁懸浮軸承系統(tǒng)中較為明顯(將另文討論)，這是產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要來(lái)源，克服的最佳方式是采用差動(dòng)聯(lián)接方式。在電磁軸承系統(tǒng)中應(yīng)用電渦流傳感器還存在信噪比較低的不足，這是其轉(zhuǎn)換電路中的電子元器件的固有噪聲所致，要提高信噪比就需提高靈敏度，但這又會(huì)使傳感器的線性范圍受到限制。電渦流傳感器的感應(yīng)磁場(chǎng)很弱，因此周圍存在的雜散磁場(chǎng)對(duì)其靈敏度會(huì)產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)也會(huì)在信號(hào)中夾雜干擾磁場(chǎng)的成份。所以，屏蔽措施是非常必要的。另一種應(yīng)用較廣的是差動(dòng)電感位移傳感器。由理論分析可知，小氣隙的電感式傳感器其電感量一般很大，有很強(qiáng)的抗干擾能力，不需要特別的屏蔽措施，很適合在電磁軸承系統(tǒng)中應(yīng)用。法國(guó)S2M公司就采用了這種類似的傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出功率大，信噪比高，靈敏度高，測(cè)量精度高以及線性度好［8］。
3 差動(dòng)電感位移傳感器及實(shí)驗(yàn)研究
3.1差動(dòng)電感位移傳感器的基本原理與結(jié)構(gòu)
本文所述的差動(dòng)電感位移傳感器是一種變氣隙式電感傳感器［12］，圖2是其基本原理圖。當(dāng)可動(dòng)鐵心向兩邊移動(dòng)時(shí)，電感線圈L１和L２的電感量發(fā)生變化，在一定的氣式位移傳感器的結(jié)構(gòu)隙變化范圍內(nèi)，電感量的變化與氣隙的變化可成線性關(guān)系。將兩個(gè)電感線圈接成橋式，并采用相敏檢波，線性范圍還可拓寬，此種傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是抗干擾能力強(qiáng)，因而很多測(cè)微儀均選用這種結(jié)構(gòu)的傳感器。在電磁軸承中，可動(dòng)鐵心將由轉(zhuǎn)子代替，當(dāng)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)電感的電感量發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化量的差動(dòng)輸出信號(hào)可非接觸地精確表示轉(zhuǎn)子在該方向上的絕對(duì)位移，并能有效地抑制結(jié)構(gòu)誤差，提高控制精度。因而國(guó)外從事電磁軸承研制的單位和專業(yè)公司均推薦或采用了類似這種結(jié)構(gòu)的位移傳感器。
圖2變氣隙差動(dòng)電感
3.2軸向非接觸式差動(dòng)電感位移傳感器的實(shí)驗(yàn)研究
我們針對(duì)軸向磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及變氣隙差動(dòng)電感式位移傳感器的基本工作原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)軸向非接觸式差動(dòng)電感位移傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置(見圖3)，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子的軸向位移，兩個(gè)測(cè)量線圈L１和L２分別置于軸向磁懸浮軸承中的推力盤兩側(cè)，這里推力盤既是磁懸浮軸承中的一部分，又是位移傳感器中的可動(dòng)鐵心。當(dāng)推力盤發(fā)生(軸向)位移時(shí)，L1和L２的電感量就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。圖4是測(cè)量電路的原理框圖，其中L１、L２、R１和R２構(gòu)成基本電感電橋，UＥ為橋路激勵(lì)電源電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移時(shí)，電橋偏離原平衡點(diǎn)，橋路的不平衡輸出信號(hào)(即位移信號(hào))經(jīng)同相交流放大器放大后，送入相敏檢波電路檢波，輸出放大器最終將位置信號(hào)放大后輸出。由于電感式傳感器具有輸出信號(hào)大的特點(diǎn)，因此，測(cè)量電路相對(duì)于電渦流傳感器來(lái)說(shuō)也簡(jiǎn)單得多。圖5是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的二組靜態(tài)位置輸出特性曲線。兩條曲線的靈敏度分別為26.5mv/μm和42.0mv/μm，已經(jīng)超過(guò)了目前常用的電流傳感器的靈敏度。在測(cè)量范圍以內(nèi)線性度良好，能夠滿足電磁軸承的應(yīng)用要求。
圖3軸向差動(dòng)電感位移傳感器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
圖4測(cè)量電路原理框圖
圖5兩組靜態(tài)位置輸出特性曲線
4 結(jié)論
非接觸式差動(dòng)電感位移傳感器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此類傳感器在軸向磁懸浮軸承系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，同理，這種傳感器也可用于徑向磁懸浮軸承系統(tǒng)中。由實(shí)際測(cè)得的傳感器靜態(tài)輸出特性曲線可看出，其性能已達(dá)到并可超過(guò)目前常用的電渦流位移傳感器的水平，且抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，表明此類傳感器在電磁軸承的研究和應(yīng)用方面有著廣闊的前景。
由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)此類傳感器的動(dòng)態(tài)特性分析留待以后進(jìn)行。
