电涡流传感器在磁悬浮轴承位移测量中的应用研究

电涡流传感器在磁悬浮轴承位移测量中的应用研究

［摘要］位移信号传感器作为磁悬浮轴承系统的一个反馈回路，用来检测转子的位移信号，并将该信号传送给控制器，作为控制器进行控制和调节的参考信号，位移传感器工作性能的好坏将决定着整个控制系统能否正常工作。当前应用于磁轴承位移测量的主要有电涡流传感器，差动变压器式位移传感器等几种非接触测量传感器。本文将对电涡流传感器的应用情况及其出现的问题进行讨论和分析。

［关键词］电涡流传感器 磁悬浮轴承 位移测量 应用

一、电涡流位移传感器在磁轴承系统中的应用

电涡流位移传感器在磁轴承系统当中是为了测量转子的位移，而磁轴承需要对转子的五个自由度进行控制，则测量位移的传感器也至少需要五个，分别测量五个自由度上的位移信号。由于磁轴承在正常工作时会在磁轴承线圈附近产生强大的磁场，因此我们就需要考虑磁场对传感器的影响，电涡流位移传感器由于是靠磁场来工作的，因此，为了使得电涡流传感器能够正常的工作，就需要考虑传感器的安装位置。一般径向测量的传感器安装在磁轴承线圈的外测，和磁轴承线圈之间间隔一定的距离，避免强磁场的影响，另外，电涡流传感器还要求探头与周围金属有一定的间距以保证传感器的正常工作。因此在磁轴承系统当中，电涡流位移传感器安装位置决定了轴向传感器测量的是转子的轴向位移，而径向位移传感器测量的并不是轴承处的转子位移，需要一定的计算才能得到在轴承处的转子位移。

如图1所示为转子径向偏移示意图：其中ABCD为水平线，AEFG为转轴，A, D两点为径向传感器的安装位置，B, C两点为径向磁轴承的安装位置，显而易见，在A, D两处测得的转轴的位移信号反映的不是B, C两处的转轴的位移。我们可以通过一个简单的计算就可以得到B, C两磁轴承位置的转轴的准确的位置。通过径向电涡流位移传感器的测量得到A, D两处的位移信号，通过计算就可以知道如图所示线段DG的长度，另外线段AB, BC CD的长度都是已知量，根据几何当中的相似三角形的定理可以得到：

（AB+BC）/（AB+BC+CD）=CF/DG

求解这个方程就可以得到线段CF的长度，同理也可以得到线段BE的长度，因而也就得到了B, C两磁轴承处的转轴的准确的位置。因此传感器不放在磁轴承当中仍然可以使系统得到磁轴承处的准确的转轴位移，这在数字控制中比较容易实现，计算比较简单，实时性好，一般不会影响系统的控制速度。另外，由于在机械系统当中转轴的径向间隙相对于转轴的长度非常的小，所以转轴与水平线的夹角不可能很大，因而A,D两处测得的位移和B, C两处的实际的转轴位移偏差很小，对系统的控制影响不会太大，一般情况可以忽略，但是如果要实现对转子悬浮位置的更加精确的控制，就要使用数字控制，采用上面的算法，这样完全可以克服这种位移测量方法带来的偏差。

二、电涡流位移传感器应用中的影响因素与问题

在实际的研究当中发现，用于主动磁悬浮轴承位移测量的电涡流位移传感器存在一些问题需要考虑：

（一）被测体尺寸的影响。电涡流位移传感器的探头产生的磁场的范围是一定的，被测体表面形成的涡流场也是一定的，所以，当被测面为平面时，以正对探头中心的点为中心，被测体直径应当大于探头头部直径的1.5倍以上；当被测体为圆轴而且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则灵敏度就会下降。另外被测体的厚度也会影响测量结果，如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使灵敏度下降，一般厚度大于0.lmm以上的钢等强导磁材料灵敏度不会受到厚度的影响。

（二）被测体表面加工状况的影响。被测体表面的加工状况对电涡流传感器的测量结果有较大的影响，不规则的被测体表面会给实际的测量值造成附加误差，特别是在磁悬浮轴承系统当中的位移测量，对转子位移的控制有很大的影响，这个误差将会和实际的位置信号叠加在一起，在电气上很难分离，因此被测表面应该是光洁的，不应该存在刻痕、洞眼、凸台、凹槽等缺陷。通常，对于震动测量被测表面粗糙度要求在0.4~0.8μm，目前精度较高的磁悬浮轴承当中的转子都在高精度磨床上进行了磨削加工，光洁度达到了0.lμm。

（三）被测转子材质的影响。由电涡流位移传感器的工作原理可以知道，被测体的磁导率和电导率都是影响传感器测量结果的主要因素，因此要保证测量的准确可靠，就要求被测物体的材质是均匀的。当前磁悬浮轴承系统当中的被测物体就是被悬浮的转子，由于转子是采用不同的钢材做成的，很难保证材质的均匀，因此就需要在转子上的传感器检测位置处裹上一层材质均匀的导磁材料，例如可选用优质的45#钢，这层材料的厚度为l0mm，完全可以满足电涡流传感器的测量要求。

（四）温度变化对传感器的影响。磁悬浮轴承系统是依靠磁力作用将转子悬浮起来的，线圈产生相应的电磁力控制转子的悬浮位置，当转子高速旋转时，会产生很大的热量，使转子——轴承系统的温度显著升高，这样电涡流传感器就会受到温升的影响，环境温度的升高将会导致传感器测量结果出现偏差，使磁悬浮轴承的控制系统输出错误的控制信号，因此要使磁悬浮轴承能够正常的工作，就需要考虑电涡流传感器的温漂问题。本人对北京清华、上海瑞视和湖南天瑞生产的电涡流传感器进行了测试，发现这几个厂家的传感器都有不同程度的温漂现象， 发热严重时传感器输出偏差能够达到0.05mm，这对于要实现高精度悬浮控制的磁轴承系统是绝对不允许的，因此需要对其进行一定的补救措施。首先从传感器的角度考虑，出现温漂是不可避免的，尤其是在温差较大的情况下，因为根据电涡流的工作原理可以知道，传感器的探头线圈在温度发生变化时，其内阻要发生相应的变化，因此也就会影响到输出值。这样我们就需要添加一个温度传感器测量系统的温度，然后对传感器的输出进行校正，就是在传感器探头附近安装一个温度传感器，根据温度传感器的输出值对位移传感器的输出进行修正。另外一个补救的方法就是要考虑如何降低转子——轴承系统的发热， 目前的转子——轴承系统的设计还存在一定的问题，导致转子在高速旋转时产生过大的热量，这不仅会影响传感器的正常使用，而且还会降低磁轴承系统的工作性能。因此就需要改进对转子——轴承系统的参数设计，减少不必要的涡流损耗。

（五）动态响应。由于磁悬浮轴承主要用于高速旋转物体的支撑，因此用于测量的位移传感器必须要有足够的响应带宽。当前的磁轴承系统的理想转速是60000转/分钟，因此电涡流位移传感器的响应带宽至少要大于1KHz，现在常用的几种电涡流位移传感器均已经达到了5KHz的响应带宽，完全满足系统的要求。在系统当中设计的滤波电路也考虑到了这一点，均采用低通滤波，截至频率都在5KHz，保证传感器能够及时的响应转子位移的变化情况。

参考文献

[1] 何文辉, 颜国正, 郭旭东. 一种新型电涡流传感器的理论分析[J]. 上海交通大学学报 , 2006,(03)

[2] 顾金凤,唐炜,. 高精度电涡流测微系统的研究[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版) , 2006,(01) .

[3] 王学梅,王彩红,薛隽,李盾. 电涡流传感器非接触在线测量位移[J]. 郑州工业高等专科学校学报 , 2004,(04) .