1　前言

　　反饋信號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題之一。為了與電磁軸承的研究和應(yīng)用相配合，國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］，我們在開展電磁軸承研究的同時，也對其專用位移傳感器進(jìn)行了探索性研究。電磁軸承系統(tǒng)的特點決定了反饋信號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。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電渦流位移傳感器，還會出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)原因而產(chǎn)生的測量誤差信號(此內(nèi)容另文討論)，使控制精度降低。使用兩個電渦流位移傳感器差動輸出雖然可以克服上述缺陷，但成本會提高，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)上可以得到簡化。目前，國際上選用基于差動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。事實上，對電磁軸承系統(tǒng)而言，差動式的位移傳感器均能符合其實用要求。國內(nèi)在差動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，以及電磁軸承對傳感器的基本要求進(jìn)行了分析討論，在差動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電感式位移傳感器的設(shè)計的實驗方案，并進(jìn)行了其靜特性的實驗研究，結(jié)果說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)子由于受到外來干擾力或其他原因出現(xiàn)軸向位移時，位移量由位移傳感器測出，經(jīng)位移信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號ux，與參考信號ur比較后得到差值信號ue，再由調(diào)節(jié)器進(jìn)行幅值和相位的校正，得到的信號電壓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)對位移傳感器的要求

　　由結(jié)構(gòu)圖可知，電磁軸承系統(tǒng)對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］。電磁軸承對位移傳感器的要求還有：能真實地反映出轉(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，測量的都是轉(zhuǎn)子表面的移動情況，這只能間接地反映轉(zhuǎn)子中心的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，反饋信號中還包含著轉(zhuǎn)子的渦動情況；傳感器的安裝位置、應(yīng)用方式對測量結(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)生測量誤差的主要來源，克服的最佳方式是采用差動聯(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)磁場很弱，因此周圍存在的雜散磁場對其靈敏度會產(chǎn)生很大的影響，同時也會在信號中夾雜干擾磁場的成份。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S2M公司就采用了這種類似的傳感器，其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率大，信噪比高，靈敏度高，測量精度高以及線性度好［8］。

　　3　差動電感位移傳感器及實驗研究

　　3.1差動電感位移傳感器的基本原理與結(jié)構(gòu)

　　本文所述的差動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)可動鐵心向兩邊移動時，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)點就是抗干擾能力強(qiáng)，因而很多測微儀均選用這種結(jié)構(gòu)的傳感器。在電磁軸承中，可動鐵心將由轉(zhuǎn)子代替，當(dāng)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)生變化時，兩個電感的電感量發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化量的差動輸出信號可非接觸地精確表示轉(zhuǎn)子在該方向上的絕對位移，并能有效地抑制結(jié)構(gòu)誤差，提高控制精度。因而國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變氣隙差動電感

　　3.2軸向非接觸式差動電感位移傳感器的實驗研究

　　我們針對軸向磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)特點，以及變氣隙差動電感式位移傳感器的基本工作原理，設(shè)計了一個軸向非接觸式差動電感位移傳感器的實驗裝置(見圖3)，用于測量轉(zhuǎn)子的軸向位移，兩個測量線圈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鐵心。當(dāng)推力盤發(fā)生(軸向)位移時，L1和L２的電感量就會發(fā)生相應(yīng)的變化。圖4是測量電路的原理框圖，其中L１、L２、R１和R２構(gòu)成基本電感電橋，UＥ為橋路激勵電源電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移時，電橋偏離原平衡點，橋路的不平衡輸出信號(即位移信號)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放大后輸出。由于電感式傳感器具有輸出信號大的特點，因此，測量電路相對于電渦流傳感器來說也簡單得多。圖5是實驗測得的二組靜態(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)超過了目前常用的電流傳感器的靈敏度。在測量范圍以內(nèi)線性度良好，能夠滿足電磁軸承的應(yīng)用要求。

 
圖3軸向差動電感位移傳感器實驗裝置示意圖

 
圖4測量電路原理框圖

 
圖5兩組靜態(tài)位置輸出特性曲線

　　4　結(jié)論

　　非接觸式差動電感位移傳感器的實驗驗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。由實際測得的傳感器靜態(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。

　　由于實驗條件的限制，對此類傳感器的動態(tài)特性分析留待以后進(jìn)行。

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