發布日期：2022-05-11 點擊率：105
摘 要：本文系統介紹了磁懸浮列車懸浮間隙傳感器的測量原理，通過對測量線圈結構的分析，就該傳感器的核心技術問題提出了解決方案。測試結果表明這些方案有效的解決了傳感器在間隙測量中的困難。
關鍵詞：磁懸浮列車，懸浮間隙，渦流檢測，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。利用電磁感應把位移量轉換成線圈的自感系數L或互感系數M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現位移量到電量的轉換。這種傳感器結構簡單、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，而且定子導軌本身也是金屬導體，因此電渦流式傳感器是實現這種小間隙測量的最佳選擇。電渦流式傳感器的金屬導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，把高頻導電線圈看成變壓器原邊，金屬導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表示被測導體的電感和電阻，R、X表示負載的電阻和電抗。M是線圈和被測導體之間的互感。
根據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體之間位置的變化。
3 線圈結構分析
在高速磁懸浮列車系統中，由于采用長定子軌道，軌道面面向傳感器的一面是齒槽結構。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。當傳感器的感應線圈對應到槽面結構時，就會產生錯誤的間隙信息。當線圈所對應的齒和槽分量發生變化時，線圈等效電感就發生變化，傳感器最終輸出也發生變化，這就是所謂的齒槽效應。為解決線圈對這種齒槽結構的不敏感性，繞制長方形感應線圈，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上加補償線圈的方法，即通過在線圈邊緣增加載流導線以增強線圈邊緣處的磁感應強度。如圖2（b）
圖2感應線圈比較
4 齒槽效應測試
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果與加補償線圈后的測試結果進行對比，如下圖所示：
圖3 兩組線圈的測試曲線
如圖3所示，其中縱坐標是間隙電壓的輸出值，單位：伏特（v）。橫坐標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，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 線性化及輸出數據標定
以上測試結果反應的只是輸出電壓與間隙的對應關系，需要對A/D轉換后的數字信號進行相關處理，按照協議將0～20mm的間隙信號轉化為數字量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可以認為是輸入和輸出之間近似的認為是線性關系。
按上述公式在對A/D轉換后的數據進行線性化時，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。作出該函數曲線后，與函數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 ，該函數是由原點出發的一條折線段。然后，將分出10條線段分別對應到y=x上，那么最終輸出為：
經上述運算后，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，已經將線性度及對齒槽效應的補償控制在要求范圍之內，達到了預期的精度。
6 結論
懸浮間隙傳感器作為磁浮列車懸浮控制系統中的核心檢測部分，必須克服齒槽效應帶來的負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。我們設計制作的懸浮間隙傳感器樣機，其創新點是渦流線圈采用了一種新的結構，即折疊加補償線圈。它很好的克服了齒槽效應帶來的負面影響，基本已經滿足精度要求。綜上所述，我們的樣機解決了傳感器設計中的一些關鍵問題，為實際應用打下了良好基礎。
參考文獻
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