1 概述

　　磁懸浮列車懸浮間隙傳感器是一種渦流式傳感器。利用電磁感應(yīng)把位移量轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化,，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)位移量到電量的轉(zhuǎn)換,。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單,、無活動電觸點;靈敏度和分辨率高;傳感器的輸出信號強;線形度和重復(fù)性都比較好。

2 測量原理

　　由于EMS型磁浮列車運行時的懸浮間隙只有10mm左右,，而且定子導(dǎo)軌本身也是金屬導(dǎo)體,，因此電渦流式傳感器是實現(xiàn)這種小間隙測量的最佳選擇。電渦流式傳感器的金屬導(dǎo)體可看作為一個短路線圈,，它與高頻通電扁平線圈磁性相連,，鑒于變壓器原理，把高頻導(dǎo)電線圈看成變壓器原邊,，金屬導(dǎo)體中渦流回路看成副邊,，即可畫出電渦流式傳感器的等效電路如下圖1所示。

圖1 電渦流傳感器等效電路

　　其中,，原邊的L1,、R1表示激勵線圈的電感和電阻，副邊的L2、R2表示被測導(dǎo)體的電感和電阻,，R,、X表示負(fù)載的電阻和電抗。M是線圈和被測導(dǎo)體之間的互感,。

　　根據(jù)基爾霍夫定律列寫原邊和副邊的回路方程如下：

　　由（2）式可見,，互感M的變化會引起副邊折合到原邊的阻抗的變化，從原邊線圈一端看去,，可視為原邊線圈阻抗的變化,。而互感M是由激勵線圈和被測導(dǎo)體之間的位置、被測物的形狀和材料決定的,。如果用恒頻,、恒幅的信號來激勵線圈，那么就可以通過檢測線圈輸出電壓的變化來測量線圈和被測導(dǎo)體之間位置的變化,。

3 線圈結(jié)構(gòu)分析

　　在高速磁懸浮列車系統(tǒng)中,，由于采用長定子軌道，軌道面面向傳感器的一面是齒槽結(jié)構(gòu),。在間隙測量過程中,，要求有效間隙是傳感器與定子軌道的齒面之間的距離。當(dāng)傳感器的感應(yīng)線圈對應(yīng)到槽面結(jié)構(gòu)時,，就會產(chǎn)生錯誤的間隙信息,。當(dāng)線圈所對應(yīng)的齒和槽分量發(fā)生變化時，線圈等效電感就發(fā)生變化,，傳感器最終輸出也發(fā)生變化,，這就是所謂的齒槽效應(yīng)。為解決線圈對這種齒槽結(jié)構(gòu)的不敏感性,，繞制長方形感應(yīng)線圈,，使其寬度等于一個齒槽周期。如圖2（a）這樣線圈在相對定子軌道的運動中,，線圈所對應(yīng)的齒槽分量就始終是一個齒和一個槽,。由于平面線圈中心處的磁場最強，兩邊較弱,。所以我們考慮在此基礎(chǔ)上加補償線圈的方法,，即通過在線圈邊緣增加載流導(dǎo)線以增強線圈邊緣處的磁感應(yīng)強度。如圖2（b）

圖2感應(yīng)線圈比較

4 齒槽效應(yīng)測試

　　測試按照由間隙為0mm開始,，在不同間隙下（每隔1mm）依次將傳感器相對導(dǎo)軌水平移動一個齒槽周期進行抽樣（每隔6mm取一次輸出電壓值）,，直到間隙為20mm截止。我們將加補償線圈前的測試結(jié)果與加補償線圈后的測試結(jié)果進行對比,，如下圖所示：

圖3 兩組線圈的測試曲線

　　如圖3所示,，其中縱坐標(biāo)是間隙電壓的輸出值,，單位：伏特（v）。橫坐標(biāo)是傳感器與定子軌道之間的間隙值,，單位毫米（mm）,。將0～20mm每隔1mm 測得的電壓值與間隙相對應(yīng)，得出不同間隙下間隙與電壓的曲線如上圖所示,。由圖3（a）可以看出,，未加補償線圈時，傳感器的齒槽效應(yīng)比較大,，最大處有近5V 的變化,。加補償線圈后，傳感器對齒槽效應(yīng)的補償效果要明顯好于未加補償線圈時的效果,，如圖3（b）所示,。

5 線性化及輸出數(shù)據(jù)標(biāo)定

　　以上測試結(jié)果反應(yīng)的只是輸出電壓與間隙的對應(yīng)關(guān)系，需要對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行相關(guān)處理,，按照協(xié)議將0～20mm的間隙信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量0～200,。把輸入信號分成若干段，就輸入的某一個局部范圍之內(nèi)可以認(rèn)為是輸入和輸出之間近似的認(rèn)為是線性關(guān)系,。

　　按上述公式在對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行線性化時,，我們分為10段，即得出由10條線段首尾相連而成的一條折線 ,，自變量x的取值范圍為0～200,，k 為常量。作出該函數(shù)曲線后,，與函數(shù)y=x,，（x的取值范圍亦為0～200）相對比。在此,，我們將線性化后折線的每一段的斜率定為 k1,，k2，k3,，……，k10,，首先將 上下平移,，使得x=0時，,，得出新的函數(shù) ,，該函數(shù)是由原點出發(fā)的一條折線段。然后,，將分出10條線段分別對應(yīng)到y(tǒng)=x上,，那么最終輸出為：

　　經(jīng)上述運算后,，我們分別取間隙為0mm、0.5mm,、1mm,、2mm、3mm,、4mm,、5mm、10mm,、10.5mm,、11mm、11.5mm及12mm依次將傳感器相對定子軌道水平移動一個齒槽周期,，將最終輸出結(jié)果作出曲線如下圖7所示：

圖7 最終測試曲線

　　由上圖分析,，已經(jīng)將線性度及對齒槽效應(yīng)的補償控制在要求范圍之內(nèi)，達到了預(yù)期的精度,。

6 結(jié)論

　　懸浮間隙傳感器作為磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中的核心檢測部分,，必須克服齒槽效應(yīng)帶來的負(fù)面影響以及電渦流傳感器自身的缺點，進一步提高測量輸出的精度,。我們設(shè)計制作的懸浮間隙傳感器樣機,，其創(chuàng)新點是渦流線圈采用了一種新的結(jié)構(gòu)，即折疊加補償線圈,。它很好的克服了齒槽效應(yīng)帶來的負(fù)面影響,，基本已經(jīng)滿足精度要求。綜上所述,，我們的樣機解決了傳感器設(shè)計中的一些關(guān)鍵問題,，為實際應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。

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