一種新型的磁懸浮軸承磁場(chǎng)均勻性測(cè)試儀

磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理元件、電磁原理的發(fā)展，磁懸浮技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，同內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是磁懸浮軸承和磁懸浮列車(chē)，而應(yīng)用最廣泛的是磁懸浮軸承，他的無(wú)接觸、無(wú)摩擦、使用壽命長(zhǎng)、不用潤(rùn)滑以及高精度等特殊的優(yōu)點(diǎn)引起世界科學(xué)界的特別關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)界人士對(duì)磁懸浮軸承都有極大的興趣。

1 磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)原理

圖1所示為一簡(jiǎn)單的磁懸浮系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4個(gè)部分組成。

其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的擾動(dòng)，就會(huì)偏離其參考位置，這時(shí)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將檢測(cè)的位移轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，然后功率放大器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子返回到原來(lái)的位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動(dòng)，轉(zhuǎn)子始終處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

2 研究現(xiàn)狀

磁力軸承磁性不均勻性研制裝置國(guó)內(nèi)只有哈爾濱電工儀表研究所研制成此儀器，但尚有一些不足之處，為能準(zhǔn)確測(cè)試磁軸承磁場(chǎng)的均勻性，我們采用不同的方案研制了本測(cè)試儀。

磁力檢測(cè)儀是進(jìn)行電磁場(chǎng)研究的一種常用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于核物理研究、電機(jī)制造和環(huán)境電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。測(cè)量空間磁場(chǎng)的方法主要有霍爾效應(yīng)法、磁阻效應(yīng)法、電磁感應(yīng)法、磁通門(mén)法、核磁共振法、磁光法等，其中基于霍爾效應(yīng)測(cè)量方法所使用的霍爾器件靈敏度高、體積小、適應(yīng)頻率和穩(wěn)定范圍寬，而且既可測(cè)量恒定磁場(chǎng)，又可測(cè)量交變磁場(chǎng)。傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備(特斯拉計(jì)、高斯計(jì))普遍存在精度低(典型測(cè)量精度為1.5％)、操作不便等缺點(diǎn)。

對(duì)于磁場(chǎng)檢測(cè)儀的研制，以前的研究者采用了如下的實(shí)現(xiàn)方案：采用差動(dòng)測(cè)量形式，電路形式簡(jiǎn)單，但由于測(cè)量方法自身的限制，精確度會(huì)受到一定的限制。這里就其原理作簡(jiǎn)單說(shuō)明。

3 儀器總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖2所示，設(shè)計(jì)的智能磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x采用霍爾傳感器作為探頭，其輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后進(jìn)入V／F變換器，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；微處理器對(duì)V／F變換器的輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并作運(yùn)算后，一方面將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，另一方面將測(cè)量結(jié)果保存到存儲(chǔ)器，并統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量結(jié)果的峰值和平均值；該儀器還有RS 232接口，可與調(diào)制解調(diào)器(Modem)連接，將實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果與過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值傳送到遠(yuǎn)方的監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量。

4 傳感和放大電路的設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的傳感電路由2片UGN3503型集成霍爾傳感器通過(guò)差動(dòng)連接的方式構(gòu)成。UGN3503是一種集成線性霍爾傳感器，他具有高達(dá)13 mV／mT的磁場(chǎng)靈敏度、±90 mT的線性范圍和23 kHz的帶寬，其輸出噪聲小，在-2～+85℃的溫度范圍內(nèi)均具有良好的線性度。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由霍爾元件、線性放大器、射極跟隨器3大部分組成，如圖3所示，UGN3503型集成霍爾傳感器在靜態(tài)(磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0)時(shí)的輸出電壓約為電源電壓的1／2，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時(shí)輸出電壓在此基礎(chǔ)上變化，并且當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)靜態(tài)輸出電壓也會(huì)有細(xì)微的變化。為了補(bǔ)償環(huán)境溫度變化對(duì)靜態(tài)輸出電壓的影響，并提高測(cè)量的分辨率，本儀器的探頭選用了兩只配對(duì)的靈敏度相同的UGN3503型集成霍爾傳感器，一正一反組合而成，這樣不但可以抵消靜態(tài)輸出電壓，還可以獲得雙倍的霍爾輸出電壓，使得測(cè)量更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。

5 采集電路的設(shè)計(jì)

AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司(ANALOG)推出的單片高速12位逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A／D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特點(diǎn)有：

(1) 分辨率：12 b；

(2) 位非線性誤差：小于±1／2 LBS或±1 LBS；

(3) 轉(zhuǎn)換速率：25μs；

(4) 電源電壓：±15 V和5 V；

(5) 數(shù)據(jù)輸出格式：12位／8位；

(6) 芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式。

我們采用AD574A來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程。

6 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是對(duì)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，流程見(jiàn)圖5。

7 儀器校準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于本儀器的探頭采用了線性元件，且儀器的量程在探頭的線性傳輸范圍之內(nèi)，放大器也是工作在線性狀態(tài)，所以本儀器具有良好的線性特征。在校準(zhǔn)時(shí)，只需調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的電位器使儀器在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)顯示0.00 mT即可。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，該檢測(cè)儀的工作穩(wěn)定，在測(cè)量的過(guò)程中，誤差可以控制在0.02％的范圍以內(nèi)。