一種用於磁懸浮軸承系統的自差分式電渦流位移傳感器的製作方法

2023-08-01 08:40:31

本發明屬於傳感器技術領域，具體的，涉及一種電渦流位移傳感器，尤其涉及一種用於磁懸浮軸承系統的自差分式電渦流位移傳感器。

背景技術：

磁軸承是一種新興的非接觸式支撐裝置，通過電磁力把轉子非接觸的懸浮，從根本上克服了機械軸承的摩擦問題，具有無需潤滑、高轉速、低功耗、長壽命、高精度及對振動可實現主動控制等突出優點。

磁軸承必須實時精確的檢測磁懸浮氣隙的大小，即檢測轉子軸心的運動狀態，實現高精度非接觸測量。電渦流位移傳感器具有結構簡單，體積較小，靈敏度高，測量的線性範圍大，動態響應範圍較寬等一系列優點，在磁軸承系統中得到廣泛應用。

測量電路中高頻振蕩電流通過同軸電纜流入探頭線圈，被測導體上的電渦流產生交變磁場，此交變磁場的方向與原磁場方向相反，用探頭線圈阻抗的變化來反映被測體的渦流效應。探頭線圈等效阻抗的變化與電渦流強度、被測體的導電率、磁導率、幾何尺寸、激磁電流、頻率及探頭線圈與被測體之間的距離等有關。當線圈材料、幾何形狀、尺寸和被測導體材料確定時，則電渦流效應只與傳感器與被測導體間的距離有關。通過測量電路可將被測導體相對於探頭之間的距離變化轉換成電壓(電流)變化。但是，目前國內外電渦流傳感器的電路設計方案中，分立元器件多，使得電路整體結構大，無法滿足小型化的要求。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用於磁懸浮軸承系統的自差分式電渦流位移傳感器，能夠大大減少測量電路分立元件的個數，滿足工業對傳感器提出的小型化的要求。

本發明的一種用於磁懸浮軸承系統的自差分式電渦流位移傳感器，包括傳感器探頭、同軸電纜和測量電路。所述的傳感器探頭通過同軸電纜連接測量電路，將線圈電感接入測量電路實現差分信號的檢測。

所述的傳感器探頭的探頭線圈採用對稱的差動式結構，通過同軸電纜連接到振蕩電路上，作為振蕩電路的工作電感；所述的傳感器探頭包括支座、電路板焊盤和探頭線圈骨架，所述的支座和電路板焊盤均為圓環型，電路板焊盤通過螺釘固定在支座上，並通過同軸電纜與測量電路連接，實現將傳感器探頭上電感線圈接入測量電路；四個探頭線圈骨架固定在所述的電路板焊盤的圓周，呈十字交叉位置，探頭線圈骨架的檢測面所在的圓心與支座的圓心同軸；所述的探頭線圈骨架包括檢測面、過渡面和定位面，所述的檢測面為具有繞線槽的圓盤結構，繞線槽裡通過自動繞線機繞制漆包線形成探頭線圈，探頭線圈通過過渡面上的走線槽引出漆包線，焊接在定位面上的焊接引腳上；所述的定位面垂直於所述的檢測面；檢測面的一面設置四個焊接引腳，另一面用於連接在電路板焊盤上。

所述的測量電路包括電壓調節電路、振蕩電路、檢波電路和放大偏置電路；電壓調節電路調節振蕩電路產生正弦波的峰峰值；當傳感器探頭的探頭線圈電感接入振蕩電路，產生固定頻率固定振幅的正弦波；正弦波信號接入檢波電路，經過檢波電路後，正弦波信號就變成了與轉子位移和方向有關直流電壓信號，最後經過放大偏置調節電路，當轉子移動範圍確定時，通過放大偏置調節電路，使最終輸出電壓在確定的範圍。

所述的振蕩電路包括工作電感l1、工作電感l2、工作電容c1、工作電容c4和三極體t，工作電感l1一端接三極體t的發射極，一端接三極體的集電極；工作電感l2一端接三極體的發射極，一端接三極體的基極；工作電容c1一端接三極體的集電極，一端接三極體的基極；在三極體發射極與兩個工作電感連接節點之間加入電容c4。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

本發明僅僅依靠一路振蕩信號就實現了對稱兩個探頭對位移的檢測，並進行差分，抑制了共模幹擾，大大減少了測量電路的元器件，簡化了電路結構。

附圖說明

圖1為本發明提供的電渦流位移傳感器的系統結構框圖。

圖2為本發明的探頭線圈骨架結構示意圖。

圖3為本發明的傳感器探頭結構示意圖。

圖4為哈特萊振蕩電路原理圖。

圖5為本發明的測量電路圖。

圖中：

1.被測導體；2.傳感器探頭；3.同軸電纜；4.測量電路；201.支座；

202.電路板焊盤；203.探頭線圈骨架；204.檢測面；205.過渡面；206.定位面；

207.走線槽；208.焊接引腳。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。

本發明提供一種用於磁懸浮軸承系統的自差分式電渦流位移傳感器，採用電渦流位移傳感器的原理，主要包括傳感器探頭2、同軸電纜3和測量電路4，如圖1所示，傳感器探頭2和測量電路4之間通過同軸電纜3連接，傳感器探頭2接收被測導體1即磁懸浮軸承系統轉子的位移信號，通過同軸電纜3接入測量電路4中，當轉子位移發生變化時，引起傳感器探頭2中的探頭線圈阻抗變化，最終造成測量電路4中的輸出電壓信號發生變化。通過測量電路4中輸出電壓信號的變化，就能知道轉子的位移和方向。

所述的傳感器探頭2的線圈採用對稱的差動式結構，通過同軸電纜3連接到振蕩電路上，作為振蕩電路的工作電感。如圖3所示，所述的傳感器探頭2包括支座201、電路板焊盤202和探頭線圈骨架203，所述的支座201和電路板焊盤202均為圓環型，電路板焊盤202通過螺釘固定在支座201上，並通過同軸電纜3與測量電路4連接，實現將傳感器探頭2上探頭線圈接入測量電路4。四個探頭線圈骨架203固定在所述的電路板焊盤202的圓周，呈十字交叉位置，探頭線圈骨架203的檢測面204所在的圓心與支座201的圓心同軸。所示的探頭線圈骨架203，如圖2所示，包括檢測面204、過渡面205和定位面206，所述的檢測面204為具有繞線槽的圓盤結構，繞線槽裡通過自動繞線機繞制漆包線形成探頭線圈，探頭線圈通過過渡面205上的走線槽207引出，焊接在定位面206上的焊接引腳208上。所述的定位面206垂直於所述的檢測面204。檢測面204的一面設置四個焊接引腳208，另一面用於連接在電路板焊盤202上。所述探頭線圈的匝數根據設計的電感和電阻要求進行繞制。所述的支座7採用材料牌號7075的鋁材料。

所述的測量電路4包括電壓調節電路、振蕩電路、檢波電路和放大偏置電路。

振蕩電路是整個測量電路4的最重要部分，振蕩電路採用基於哈特萊振蕩原理的電感三點式振蕩電路，用來產生固定頻率的正弦波，如圖5所示，所述的電感三點式振蕩電路包括電感l1、電感l2、電容c1和三極體t，工作電感l1一端接三極體t的發射極，一端接三極體的集電極；工作電感l2一端接三極體的發射極，一端接三極體的基極；工作電容c1一端接三極體的集電極，一端接三極體的基極。本發明中的振蕩電路基於所述的哈特萊振蕩原理，在三極體發射極與兩的工作電感連接節點之間加入一272電容，即電容c4。同時，工作電感l1和工作電感l2初始值為16uh，電容c1為560pf，這樣可以產生頻率約1.2mhz頻率的正弦波。當轉子位移改變時，造成工作電感l1和工作電感l2的阻抗變化，故造成產生正弦波的幅值發生變化，通過檢測正弦波的幅值變化，就可以知道轉子的位移。由於電感l1和電感l2是對稱的兩個探頭電感，轉子位移變化時，二者阻抗變化是相反的，故可以實現差動檢測。

所述的電容c1選用高頻特性好且耐高溫的瓷片電容。三極體t選用高頻小功率晶體三極體2n2222。

電壓調節電路通過調節電阻r1的電阻值，可以調節振蕩電路產生正弦波的峰峰值。當電阻r1的電阻值確定以後，傳感器探頭2的線圈電感接入振蕩電路，產生固定頻率固定振幅的正弦波。實現差動後的正弦波信號接入由二極體d1、電容c5、電阻r7、r8和二極體d2構成的檢波電路。然後經過整流電路將正弦信號變為直流電壓，經過檢波電路後，正弦波信號就變成了與轉子位移和方向有關直流電壓信號，最後經過放大偏置調節電路，當轉子移動範圍確定時，通過調節滑動變阻器r10和r12，可以使最終輸出電壓在一確定的範圍。