一種新型的磁懸浮軸承磁場均勻性測試儀

1 磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)原理

圖1所示為一簡單的磁懸浮系統(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)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移轉(zhuǎn)換成控制信號，然后功率放大器將控制信號轉(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)動轉(zhuǎn)子返回到原來的位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動，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)確測試磁軸承磁場的均勻性，我們采用不同的方案研制了本測試儀。

磁力檢測儀是進行電磁場研究的一種常用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于核物理研究、電機制造和環(huán)境電磁場監(jiān)測等領(lǐng)域。測量空間磁場的方法主要有霍爾效應(yīng)法、磁阻效應(yīng)法、電磁感應(yīng)法、磁通門法、核磁共振法、磁光法等，其中基于霍爾效應(yīng)測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，而且既可測量恒定磁場，又可測量交變磁場。傳統(tǒng)的磁場測量設(shè)備(特斯拉計、高斯計)普遍存在精度低(典型測量精度為1.5％)、操作不便等缺點。

對于磁場檢測儀的研制，以前的研究者采用了如下的實現(xiàn)方案：采用差動測量形式，電路形式簡單，但由于測量方法自身的限制，精確度會受到一定的限制。這里就其原理作簡單說明。

3 儀器總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

如圖2所示，設(shè)計的智能磁場測量儀采用霍爾傳感器作為探頭，其輸出信號經(jīng)放大器放大后進入V／F變換器，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；微處理器對V／F變換器的輸出信號進行計數(shù)并作運算后，一方面將測量結(jié)果進行實時顯示，另一方面將測量結(jié)果保存到存儲器，并統(tǒng)計一段時間內(nèi)測量結(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，將實時測量結(jié)果與過去一段時間內(nèi)測量結(jié)果的統(tǒng)計值傳送到遠方的監(jiān)控主機，實現(xiàn)磁場的網(wǎng)絡(luò)化測量。

4 傳感和放大電路的設(shè)計

磁場測量儀的傳感電路由2片UGN3503型集成霍爾傳感器通過差動連接的方式構(gòu)成。UGN3503是一種集成線性霍爾傳感器，他具有高達13 mV／mT的磁場靈敏度、±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)強度B=0)時的輸出電壓約為電源電壓的1／2，當(dāng)磁感應(yīng)強度變化時輸出電壓在此基礎(chǔ)上變化，并且當(dāng)環(huán)境溫度變化時靜態(tài)輸出電壓也會有細微的變化。為了補償環(huán)境溫度變化對靜態(tài)輸出電壓的影響，并提高測量的分辨率，本儀器的探頭選用了兩只配對的靈敏度相同的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，使得測量更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。

5 采集電路的設(shè)計

AD574A是美國模擬數(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，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A／D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特點有：

(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來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集過程。

6 軟件設(shè)計

軟件部分是對轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，流程見圖5。

7 儀器校準(zhǔn)及實驗結(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，只需調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的電位器使儀器在磁感應(yīng)強度為0時顯示0.00 mT即可。根據(jù)實驗測試結(jié)果，該檢測儀的工作穩(wěn)定，在測量的過程中，誤差可以控制在0.02％的范圍以內(nèi)。