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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