摘 要：本文系統(tǒng)介紹了磁懸浮列車懸浮間隙傳感器的測(cè)量原理，通過(guò)對(duì)測(cè)量線圈結(jié)構(gòu)的分析，就該傳感器的核心技術(shù)問(wèn)題提出了解決方案。測(cè)試結(jié)果表明這些方案有效的解決了傳感器在間隙測(cè)量中的困難。
關(guān)鍵詞：磁懸浮列車，懸浮間隙，渦流檢測(cè)，線性化
Research on key technologies of suspend gap sensor for Maglev Vehicle
TAO De-hui, ZHAI Chuan-run
Abstract：This paper systematically introduced the principle of measuring suspend gap sensor. On the base of analyzing the configuration of the coil ,we have given some methods of solving the key problems. Test results show that these methods have effectively resolved the difficulties in measuring gap.
Key words：Maglev vehicle; Suspend gap; Eddy current testing; Linearization
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(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)位移量到電量的轉(zhuǎn)換。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn);靈敏度和分辨率高;傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng);線形度和重復(fù)性都比較好。
2 測(cè)量原理
由于EMS型磁浮列車運(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)這種小間隙測(cè)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(gè)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(huà)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(lì)線圈的電感和電阻，副邊的L2、R2表示被測(cè)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(cè)導(dǎo)體之間的互感。
根據(jù)基爾霍夫定律列寫(xiě)原邊和副邊的回路方程如下：
由（2）式可見(jiàn)，互感M的變化會(huì)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(lì)線圈和被測(cè)導(dǎo)體之間的位置、被測(cè)物的形狀和材料決定的。如果用恒頻、恒幅的信號(hào)來(lái)激勵(lì)線圈，那么就可以通過(guò)檢測(cè)線圈輸出電壓的變化來(lái)測(cè)量線圈和被測(cè)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(zhǎng)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(cè)量過(guò)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(duì)應(yīng)到槽面結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的間隙信息。當(dāng)線圈所對(duì)應(yīng)的齒和槽分量發(fā)生變化時(shí)，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(duì)這種齒槽結(jié)構(gòu)的不敏感性，繞制長(zhǎng)方形感應(yīng)線圈，使其寬度等于一個(gè)齒槽周期。如圖2（a）這樣線圈在相對(duì)定子軌道的運(yùn)動(dòng)中，線圈所對(duì)應(yīng)的齒槽分量就始終是一個(gè)齒和一個(gè)槽。由于平面線圈中心處的磁場(chǎng)最強(qiáng)，兩邊較弱。所以我們考慮在此基礎(chǔ)上加補(bǔ)償線圈的方法，即通過(guò)在線圈邊緣增加載流導(dǎo)線以增強(qiáng)線圈邊緣處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖2（b）
圖2感應(yīng)線圈比較
4 齒槽效應(yīng)測(cè)試
測(cè)試按照由間隙為0mm開(kāi)始，在不同間隙下（每隔1mm）依次將傳感器相對(duì)導(dǎo)軌水平移動(dòng)一個(gè)齒槽周期進(jìn)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(bǔ)償線圈前的測(cè)試結(jié)果與加補(bǔ)償線圈后的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如下圖所示：
圖3 兩組線圈的測(cè)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(cè)得的電壓值與間隙相對(duì)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(bǔ)償線圈時(shí)，傳感器的齒槽效應(yīng)比較大，最大處有近5V 的變化。加補(bǔ)償線圈后，傳感器對(duì)齒槽效應(yīng)的補(bǔ)償效果要明顯好于未加補(bǔ)償線圈時(shí)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(cè)試結(jié)果反應(yīng)的只是輸出電壓與間隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，按照協(xié)議將0～20mm的間隙信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量0～200。把輸入信號(hào)分成若干段，就輸入的某一個(gè)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(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化時(shí)，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(duì)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(shí)，
，得出新的函數(shù) ，該函數(shù)是由原點(diǎn)出發(fā)的一條折線段。然后，將分出10條線段分別對(duì)應(yīng)到y(tǒng)=x上，那么最終輸出為：
經(jīng)上述運(yùn)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(duì)定子軌道水平移動(dòng)一個(gè)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(cè)試曲線
由上圖分析，已經(jīng)將線性度及對(duì)齒槽效應(yīng)的補(bǔ)償控制在要求范圍之內(nèi)，達(dá)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(cè)部分，必須克服齒槽效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響以及電渦流傳感器自身的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高測(cè)量輸出的精度。我們?cè)O(shè)計(jì)制作的懸浮間隙傳感器樣機(jī)，其創(chuàng)新點(diǎn)是渦流線圈采用了一種新的結(jié)構(gòu)，即折疊加補(bǔ)償線圈。它很好的克服了齒槽效應(yīng)帶來(lái)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(jī)解決了傳感器設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題，為實(shí)際應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。
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