磁懸浮軸承的常用檢測傳感器簡介

1、磁懸浮軸承的常用檢測傳感器簡介課程名稱機(jī)械原理院機(jī)械年級2013專業(yè)班機(jī)電5班學(xué)生姓名陳鵬宇學(xué)號20132798開課時間2015至2016學(xué)年第2學(xué)期13機(jī)電5班20132798陳鵬宇摘要：磁懸浮軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空間,使轉(zhuǎn)子和定子之間沒有任何機(jī)械接觸的一種新型高性能軸承,由于它具有無機(jī)械摩擦、能耗低、噪聲小、壽命長及無污染等優(yōu)點(diǎn),在航空航天等多個工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著其的發(fā)展，位移傳感器作為磁懸浮軸承系統(tǒng)的檢測部分,是磁懸浮軸承系統(tǒng)的重要組成部分之一,其性能對轉(zhuǎn)子工作位置的控制精度有很大的影響。目前磁懸浮軸承系統(tǒng)多采用位移傳感器,主要有電渦流傳感器、電感式傳感器、電容傳感

2、器、光電傳感器和激光傳感器。本文將依次介紹其中應(yīng)用較為廣泛的幾種傳感器的原理及其利弊。一.磁懸浮軸承的原理及特點(diǎn)磁懸浮軸承系統(tǒng)是依靠電磁力對轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)非接觸支承的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的滾動軸承和滑動軸承相比，磁懸浮軸承明顯的特點(diǎn)在于沒有機(jī)械接觸，且其支承力可控。此外，磁懸浮軸承還具有以下優(yōu)越性能：沒有機(jī)械摩擦和磨損，因而降低了工作能耗和噪聲，延長了使用壽命；動力損失小，便于應(yīng)用在高速運(yùn)轉(zhuǎn)場合；由于省去了潤滑和密封系統(tǒng)，無污染，可應(yīng)用于真空超凈及極端溫度和壓力等特殊工作環(huán)境。磁懸浮軸承從原理上可分為兩種，一種是主動磁懸浮軸承；另一種是被動磁懸浮軸承簡稱。由于前者具有較好的性能，它在工業(yè)上得到越來越廣泛的應(yīng)

3、用，我們研究所所研究的都是主動磁懸浮軸承。磁懸浮軸承系統(tǒng)主要由被懸浮物體（以下稱為轉(zhuǎn)子）、傳感器、控制器和執(zhí)行器四大部分組成。其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。圖2-1是一個簡單的13機(jī)電5班20132798陳鵬宇磁懸浮軸承系統(tǒng)，設(shè)電磁鐵繞組上的電流為I它對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的吸力F和轉(zhuǎn)子的重力mg相平衡，轉(zhuǎn)子處于懸浮的平衡位置，這個位置稱為參考位置。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的干擾，轉(zhuǎn)子就會偏離其參考位置向下運(yùn)動，此時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離其參考位置的位移,控制器將這一位移信號變換成控制信號，功率放大器又將該控制信號變換成控制電流I+i，從而改變電磁鐵的吸力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來的平衡位置同

4、理可得，不論轉(zhuǎn)子受到向上或向下的擾動，圖2-1中的轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。磁懸浮軸承對傳感器的要求傳感器是磁懸浮軸承系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣在很大程度上影響了整個系統(tǒng)的性能。磁懸浮軸承對傳感器的要求有：能實(shí)現(xiàn)非接觸測量；能真實(shí)反映出轉(zhuǎn)子中心的位移變化；具有很高的靈敏度、信噪比、線性度、溫度穩(wěn)定性、抗干擾能力及精確的重復(fù)性，同時還要求有一定的頻率響應(yīng)范圍選用傳感器時應(yīng)考慮以下幾個方面的性能：(1)測量范圍傳感器的輸出電壓信號是位移信號的函數(shù)，所謂傳感器的測量13機(jī)電5班20132798陳鵬宇范圍指的是傳感器能夠線性地跟隨位移變化的范圍。對磁懸浮軸承用的傳感器來說，希望測量范圍為0.

5、51.0mm。(2)靈敏度單位位移時傳感器的輸出稱為靈敏度，常用mV/表示。但是，靈敏度太大，測量范圍小。根據(jù)現(xiàn)有渦流傳感器的參數(shù)，選用靈敏度為20mV/m比較合適，對應(yīng)的測量范圍為0.50.8mm。(3)分辨率傳感器能夠分辨出的最小位移稱為分辨率，希望傳感器的分辨率為0.1gm甚至更小.頻率范圍線性頻率響應(yīng)，亦即靈敏度不受頻率的影響，這在磁懸浮軸承應(yīng)用中是必要的。靈敏度下降3dB時的頻率通常稱為“截止”頻率。傳感器的頻帶寬度越寬，其動態(tài)性能越好。其它方面的性能如穩(wěn)定性要好，溫漂、零漂和時漂要小，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。三.適用于磁懸浮軸承檢測的傳感器1.電感傳感器電感式傳感器，是利

6、用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測的一種裝置。它可以把輸入的物理量如位移、振動、壓力、流量、比重等參數(shù)，轉(zhuǎn)換為線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，而L或M的變化在電路中又轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，13機(jī)電5班20132798陳鵬宇即實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。由于電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，目前得到普遍重視。用于磁懸浮軸承的傳感器為差動變壓器式電感傳感器。（1）.工作原理如圖，差動變壓B器主要是由一個線框和一個鐵芯組成,在線框上繞有一組初級線圈作為輸入線圈（或稱一次線圈）,在同一線框上另繞兩組次級線圈作為輸出線圈（或稱二次線圈）,并在線框中央圓柱孔中放入鐵芯，當(dāng)初級線圈加以適當(dāng)頻

7、率的電壓激勵時，根據(jù)變壓器作用原理，在兩個次級線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，當(dāng)鐵芯向上或向下移動時,在兩個次級線圈內(nèi)所感應(yīng)的電勢一個增加一個減少。如果輸出接成反向串聯(lián)，則傳感器的輸出電壓U等于兩個次級線圈的電勢差，因?yàn)閮蓚€次級線圈做得一樣，因此，當(dāng)鐵芯在中央位置時，傳感器的電壓u為0，當(dāng)鐵芯移動時，傳感器的輸出電壓u就隨鐵芯位移X成線性的增加。如果以適當(dāng)?shù)姆椒y量u,就可以得到與X成比例的線性讀數(shù)。2.電渦流傳感器電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動

8、態(tài)的相對位移變化。在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)式運(yùn)動機(jī)械的狀態(tài)分析，振動研究、分析測量中，對非接觸的高精度振動、位移信號，能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的多種參數(shù)。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。（1）.工作原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時（與金屬是否塊狀無關(guān)，且切割不變化的磁場時無渦流），導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳

9、感器。前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場。當(dāng)被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率&磁導(dǎo)率&尺寸因子T頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D電流強(qiáng)度I和頻率0參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用Z=F（tE&D,

10、I,0函數(shù)來表示。通常我們能做到控制TE&I,0這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。3.電容傳感器電容式傳感器是利用將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實(shí)現(xiàn)對物理量的測量，它具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小,分辨率高,動態(tài)響應(yīng)好，溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),它屬變參數(shù)型傳感器

11、如果把電容傳感器運(yùn)用于磁懸浮軸承，它具備了溫度穩(wěn)定性好，靜態(tài)引力小，動態(tài)響應(yīng)好，結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)（1）.工作原理電容式傳感器一般由兩個平行電極構(gòu)成，在其兩個電極之間以空氣作為介質(zhì)，在不考慮邊緣效應(yīng)的前提下，其電容可表示為C=S/d，其中，表示兩電極間介質(zhì)（即空氣）的介電常數(shù)，S表示兩電極之間相互覆蓋的面積，d表示兩電極間的距離，電容受這三個參數(shù)影響，任意一參數(shù)的改變就會使得電容得以改變。因此，可將電容傳感器分為介質(zhì)變化型（的變化因此C的變化）、面積變化型（S的變化因此C的變化）和極距變化型（d的變化因此C的變化）三種。根據(jù)磁懸浮式軸承的結(jié)構(gòu)，采用變極距的電容傳感器，電容極板13機(jī)電5班

12、20132798陳鵬宇變大,電容值也就變大,極距變化引起的電容變化也大了,即位移與電容值之間的對應(yīng)關(guān)系也就更加的明朗,靈敏度也將提高為了克服某些外界因數(shù)對測量的影響,應(yīng)采用兩個傳感器形成差動傳感器，當(dāng)動極板移動后,q和q成差動電容變化，即其中一個電容增大,而另一個電容量就減小,這樣可以消除外界因數(shù)所造成的測量誤差。四三種傳感器的比較電渦流式傳感器，是靠探頭線圈和被測導(dǎo)體之間的高頻電磁相互作用而工作的，因而它對外磁場比較敏感，比如磁懸浮軸承產(chǎn)生的磁場就可能影響傳感器的工作，所以渦流傳感器的安裝要離開磁懸浮軸承一定的距離，而且在磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)上，應(yīng)盡量減小漏磁，并努力在空間布局上減小其對傳感器的影

13、響。電容式傳感器是靠電容的兩個極板之間的間隙的變化而工作的，所以對外磁場不敏感，不存在上述問題，但由于受到空間限制，電容極板面積一般很小，所以電容量小，阻抗很高，這就給測量電路帶來一定的困難，而且容易受分布電容的影響。光電式傳感器，是將非電量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件的作用，就可以將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。但光電式傳感器對環(huán)境要求苛刻，如灰塵等圬物會直接影響其靈敏度和工作點(diǎn)，而且隨時間的推移，光電器件的靈敏度也會下降。就輔助電路的復(fù)雜程度而言，渦流式和電容式的電路復(fù)雜程度相當(dāng)，而光電式的電路要簡單得多,。但要滿足磁懸浮軸13機(jī)電5班20132798陳鵬宇承的要求和使用環(huán)境，電容式和光電式都需要比較高的技術(shù)要求。相比之下，電渦流傳感器的技術(shù)要求相對較低。目前，國內(nèi)外在磁懸浮軸承系統(tǒng)中主要使用的是電渦流位移傳感器對電渦流傳感器和電感傳感器進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。有實(shí)驗(yàn)表明，電渦流傳感器的線性范圍比電感傳感器大，但電感傳感器的線性范圍已經(jīng)能夠滿足磁懸