專利名稱：一種徑向位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移傳感器，特別是檢測旋轉(zhuǎn)部件徑向位移的傳感器，它不帶能量源，以磁感應(yīng)方式取得位移信號，是能量轉(zhuǎn)換型或稱被動型磁電式傳感器。
背景技術(shù)：
位移傳感器已形成相當(dāng)龐大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，通常為包含電渦流式傳感器的電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器等。它們在信號變換過程中其能量靠外電源供給，屬于能量控制型傳感器。見《傳感器技術(shù)》清華大學(xué)出版社、北京交通大學(xué)出版社，孫鍵民、楊清海編著2005年10月第I版，第4 頁。也可稱主動型傳感器。磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理，將被測對象的能量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢輸出信號的一種傳感器。例如《傳感器技術(shù)》清華大學(xué)出版社、北京交通大學(xué)出版社，孫鍵民、楊清海編著2005年10月第I版，第6章介紹的恒定磁通磁電式傳感器，是利用其感應(yīng)電壓與被測物體的運(yùn)動速度的線性關(guān)系來獲取該速度值。變磁阻磁電式傳感器，一般都做成轉(zhuǎn)速傳感器，運(yùn)動的鐵磁性材料制成齒輪，轉(zhuǎn)動中氣隙厚度是不斷以齒為周期改變的，即磁路中的磁阻以此周期波動，氣隙中磁通波動使線圈中的感應(yīng)電動勢以一定的頻率輸出， 該頻率和齒數(shù)決定了轉(zhuǎn)速。它們是能量轉(zhuǎn)換型或稱被動型傳感器?，F(xiàn)有技術(shù)的位移傳感器在用于旋轉(zhuǎn)部件比如轉(zhuǎn)子的徑向位移測量時占用空間較大，假如需對轉(zhuǎn)子的徑向位移進(jìn)行控制時，則測量點(diǎn)與執(zhí)行力點(diǎn)距離難以設(shè)計成重合或很近。再則，比如普通的電感式位移傳感器頻率響應(yīng)較低，不適合快速動態(tài)測量，《傳感器技術(shù)》第81頁，所以在超高轉(zhuǎn)速的位移測量時較困難。而新型的超高振蕩頻率的電感式位移傳感器的價格又很高，其感應(yīng)的原始信號電壓較低微伏至毫伏級，必須有高抗干擾的電磁屏蔽線引導(dǎo)?，F(xiàn)有技術(shù)的普通磁電式傳感器的構(gòu)造僅用于轉(zhuǎn)速測量不適用旋轉(zhuǎn)部件的徑向位移測量。退磁曲線可以表征磁路中永磁體的工作特性，當(dāng)外磁路磁阻變大時，需要永磁體向外磁路提供的磁動勢也要大，永磁體向外磁路提供的每極總磁通就變小。在通常溫度范圍內(nèi)稀土永磁的退磁曲線是直線，如釹鐵硼、釤鈷等。見《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計》唐任遠(yuǎn)著，機(jī)械工業(yè)出版社2005年8月第I版第4次印刷，第38頁至42頁。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種被動型磁電式徑向位移傳感器。它成本要低、感應(yīng)的原始信號電壓高、抗干擾能力強(qiáng)，專門用于旋轉(zhuǎn)部件的徑向位移測量，當(dāng)需要對轉(zhuǎn)子的徑向位移進(jìn)行控制時，感應(yīng)部件可以方便地與執(zhí)行器設(shè)計成一體，使測量點(diǎn)與執(zhí)行點(diǎn)距離重合或很近，以提高控制穩(wěn)定性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的基本構(gòu)思是由電機(jī)原理，永磁體與轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)，線圈在定子上靜止，則線圈中感應(yīng)出電動勢。再結(jié)合永磁體的工作特性退磁曲線，在結(jié)構(gòu)不變的情況下永磁體向外磁路提供的每極總磁通，主要由轉(zhuǎn)子與定子間氣隙的大小決定，當(dāng)氣隙變小時總磁通變大，氣隙變大時總磁通變小，使得線圈中感應(yīng)的交流電動勢幅值變大或變小。含有永磁體的轉(zhuǎn)子與含線圈的定子的結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并有徑向晃動時，氣隙將一邊大而另一邊小，在晃動方向的兩對邊的相同尺寸和匝數(shù)的線圈中，交流脈動感應(yīng)電動勢幅值，氣隙小的邊其值大，氣隙大的邊其值小，將兩邊的電動勢相減便反映了徑向位移量；若先整流，后取值之差，則可知位移量及其正負(fù)方向。在定子中心設(shè)立X、y直角坐標(biāo)系，即坐標(biāo)零點(diǎn)在定子中心，則，X方向的線圈或線圈組，反映X向徑向位移量；y方向的線圈或線圈組，反映y向徑向位移量。如此，便可知徑向位移矢量的大小方向。兩對邊的線圈的尺寸和匝數(shù)不完全相同時，只需由測量電路將數(shù)據(jù)作簡單矯正，便可使座標(biāo)零點(diǎn)移至定子中心。輸出電動勢差與位移轉(zhuǎn)速的關(guān)系為Δ ex = K Δ χ ωAex為輸出電動勢差；Λχ為χ向位移量；ω為角速度轉(zhuǎn)速；K為構(gòu)造系數(shù)。在永磁體為稀土永磁時為常量，它與永磁的種類、轉(zhuǎn)子與定子間氣隙厚度、線圈的匝數(shù)個數(shù)以及排列、結(jié)構(gòu)尺寸等相關(guān)。y方向電動勢差A(yù)ey，只需將上式χ替換為y即可。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明基本構(gòu)思的技術(shù)方案是一種徑向位移傳感器，它包括永磁塊，線圈，定子，轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與定子間設(shè)氣隙，它的線圈設(shè)在定子上，其特征在于永磁塊固定在轉(zhuǎn)子上，使磁極磁場在氣隙處以N-S的順序沿轉(zhuǎn)子周向排列，在定子的中心建立χ、y直角坐標(biāo)系，線圈在坐標(biāo)軸上靠近氣隙的兩對邊設(shè)置，每個坐標(biāo)軸兩對邊的線圈出線對沖相連，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時使它們的電動勢相減從而取得信號。對沖相連是指連接后線圈的電動勢為相減，總幅值變小。定子每個坐標(biāo)軸兩對邊線圈出線的對沖相連可以是整流對沖相連或者不整流對沖相連，前者變成直流后電動勢相減可辨別位移矢量的大小和方向，后者僅適用于辨別位移的大小。稀土永磁的退磁曲線是直線，永磁塊以稀土永磁制造為佳。本發(fā)明的兩對邊是指位置，在坐標(biāo)的正方為一邊，負(fù)方為另一邊。兩對邊的線圈可以單個也可以是多個。每邊的線圈可以串聯(lián)在一起以提高感應(yīng)電動勢；也可以并聯(lián)在一起以獲取更好的波形，并具備即使一組線圈斷線也能工作的安全冗余。這種串并聯(lián)可以先整流再進(jìn)行，也可以串并聯(lián)后再整流。線圈可以在定子上周向滿布，但必須按x、y坐標(biāo)分組。兩對邊的線圈具有相同的幾何角度大小和總匝數(shù)，即兩對邊的完全對稱為最佳， 線圈幾何角度的大小也與磁極所占的幾何角度大小相等為最佳。線圈可以嵌卡在硅鋼片制成的定子鐵芯線槽中以減少磁阻。同樣永磁塊也可吸合在轉(zhuǎn)子的鐵芯上。每個坐標(biāo)軸的兩對邊線圈的個數(shù)可以是單個也可以多個。線圈嵌卡在定子鐵芯上時，定子鐵芯附屬于定子也可以認(rèn)為它就是定子；永磁塊吸合在轉(zhuǎn)子鐵芯時，轉(zhuǎn)子鐵芯或者永磁塊和轉(zhuǎn)子鐵芯的組合附屬于轉(zhuǎn)子也可以認(rèn)為它們就是轉(zhuǎn)子。本方案還可以沒有定子鐵芯，比如線圈固定在非金屬材料的定子上；或者沒有轉(zhuǎn)子鐵芯，永磁塊固定在非鐵磁性材料的轉(zhuǎn)子上。本發(fā)明與永磁電機(jī)用途和領(lǐng)域不同，但是，永磁電機(jī)中轉(zhuǎn)子的永磁塊各種周向排布方式均適用于本發(fā)明，但并不是必須布滿整周。本發(fā)明的線圈排列與聯(lián)接則不同于電機(jī)。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子可以在定子外即外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子構(gòu)造，也可以在定子內(nèi)即內(nèi)轉(zhuǎn)子、外定子構(gòu)造。轉(zhuǎn)子磁極的軸向?qū)挾瓤尚∮诨蛘叽笥诙ㄗ拥妮S向?qū)挾?，用于消除轉(zhuǎn)子軸向竄動、 和側(cè)轉(zhuǎn)振動對測量精度的影響，從而實(shí)現(xiàn)軸向和側(cè)轉(zhuǎn)的解耦。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子磁極可以就是永磁體自身的磁極，也可以是獨(dú)立的轉(zhuǎn)子鐵芯吸附在永磁體上而形成磁極。為了控制器數(shù)據(jù)采集和計算的便捷，永磁磁極的數(shù)量以2的整數(shù)次方倍為佳，比如2、4、8、16、32等。永磁塊可以為32片，以永磁塊的16對磁極面朝氣隙周向排列在轉(zhuǎn)子面上。本發(fā)明還具有轉(zhuǎn)速傳感器功能，信號變換電路讀取單位時間的波峰數(shù)除以轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)便可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。對于固定轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場合，ω轉(zhuǎn)速角速度為常量，得到了輸出電動勢差A(yù)ex、Aey 便可知轉(zhuǎn)子晃動的位移矢量的大小、方向。而對于變轉(zhuǎn)速的場合，信號變換電路測得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，然后將轉(zhuǎn)速除電動勢差得到轉(zhuǎn)子晃動位移矢量的大小、方向。本發(fā)明所獲得的電動勢差電壓值，通常可以是以伏為單位的量級，所以抗干擾能力強(qiáng)。在應(yīng)用時，設(shè)定一系列的轉(zhuǎn)子位移偏心量，測得對應(yīng)的一系列電動勢差來進(jìn)行傳感器的特性標(biāo)定。本發(fā)明的技術(shù)方案列出了為解決本案技術(shù)問題相關(guān)的各必要技術(shù)特征及其主題名稱，作為主題一種徑向位移傳感器，本發(fā)明的技術(shù)方案在用于具體產(chǎn)品中實(shí)施時，所需的現(xiàn)有技術(shù)可自行加入。本發(fā)明的有益效果原理結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)使用條件可設(shè)計體積的大小，原始信號電壓相對高，故可靠性佳。尤其是在控制系統(tǒng)使用傳感器場合，比如磁懸浮軸承系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為突出，可方便使測量點(diǎn)與執(zhí)行點(diǎn)重合，無動態(tài)頻率響應(yīng)問題，令控制系統(tǒng)穩(wěn)定性大為提高。它不依靠外界電源供電故節(jié)省能源，很適合應(yīng)用于飛輪儲電裝置，以提高效率。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖I永磁塊沿外轉(zhuǎn)子周向排列示意圖2永磁塊沿內(nèi)轉(zhuǎn)子周向一種排列示意圖3線圈在內(nèi)定子上的一種排布圖4線圈在外定子上的一種排布圖5線圈在定子上的另一種排布圖6外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子的一種實(shí)施例示意圖7內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子的一種實(shí)施例示意圖8本發(fā)明實(shí)施例轉(zhuǎn)子位移O. Imm時的信號波；
圖9本發(fā)明實(shí)施的特性線。
具體實(shí)施方式
圖I永磁塊沿外轉(zhuǎn)子周向排列示意圖，永磁塊2沿轉(zhuǎn)子3的周向整圈排布，徑向吸附在轉(zhuǎn)子鐵芯I的內(nèi)壁上，永磁塊2的磁極9面朝徑向，它們以N-S極的順序沿轉(zhuǎn)子周向排列。圖2永磁塊沿內(nèi)轉(zhuǎn)子另一種周向排列示意圖，永磁塊2沿轉(zhuǎn)子3的周向整圈排布， 周向吸附在轉(zhuǎn)子鐵芯I的側(cè)壁上，在轉(zhuǎn)子鐵芯I的外徑向形成磁極9，它們以N-S極的順序沿轉(zhuǎn)子周向排列。圖3線圈在內(nèi)定子上的一種排布圖，定子6中心上建立x、y直角坐標(biāo)系，線圈4設(shè)置在各坐標(biāo)軸兩對邊，它們處在定子6即定子鐵芯5外徑邊側(cè)的位置上，兩對邊的線圈4完全對稱。圖4線圈在外定子上的一種排布圖，它的線圈4以定子6上建立的X、y直角坐標(biāo)為依據(jù)，沿各坐標(biāo)軸在定子6即定子鐵芯5內(nèi)徑邊側(cè)的位置，以xl，x2、x3, x4 ；yl, y2、y3， y4兩對邊成對,兩對邊的線圈4完全對稱,線圈4在定子6上周向滿布。圖5線圈在定子上的另一種排布圖，定子6中心上建立x、y直角坐標(biāo)系,線圈4設(shè)置在各坐標(biāo)軸兩對邊，位于定子6的定子鐵芯5邊側(cè)的位置上，總匝數(shù)和角度尺寸相同顯現(xiàn)兩對邊完全對稱，兩對邊的線圈4均呈現(xiàn)內(nèi)外兩排每排多個，每個位置的線圈4可以各自全部串聯(lián)在一起以提聞感應(yīng)電動勢；或者每排多個串聯(lián)后，各自兩排并聯(lián)在一起以獲取更好的波形，并具備即使一組線圈4斷線也能工作的安全冗余。圖6為外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子的一種實(shí)施例示意圖，它包括永磁塊2，線圈4，內(nèi)定子6，外轉(zhuǎn)子3,外轉(zhuǎn)子3與內(nèi)定子6間設(shè)氣隙7,內(nèi)定子6固定不動,永磁塊2固定在外轉(zhuǎn)子3上, 使磁極9磁場在氣隙7處以N-S的順序沿外轉(zhuǎn)子3周向排列，永磁塊2為32片，以永磁塊 2的16對磁極9面朝氣隙7周向排列在轉(zhuǎn)子3內(nèi)面。它的線圈4在定子6上,定子6中心上建立x、y直角坐標(biāo)系，線圈4處在各坐標(biāo)軸的兩對邊并設(shè)在定子6的定子鐵芯5外邊上， 它們總匝數(shù)和幾何角度尺寸相同顯現(xiàn)兩對邊完全對稱，線圈4所占的角度大小與磁極9相等為a，每個坐標(biāo)軸的兩對邊線圈4的出線對沖相連8，轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)動時使它們不經(jīng)整流的電動勢相減從而取得信號。圖7為內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子的一種實(shí)施例示意圖，它包括永磁塊2，線圈4，外定子6，內(nèi)轉(zhuǎn)子3,內(nèi)轉(zhuǎn)子3與外定子6間設(shè)氣隙7,外定子6固定不動,永磁塊2固定在內(nèi)轉(zhuǎn)子3上, 使磁極9磁場在氣隙7處以N-S的順序沿內(nèi)轉(zhuǎn)子3周向排列，它的線圈4在定子6上，定子 6中心上建立χ、y直角坐標(biāo)系，線圈4在各坐標(biāo)軸兩對邊成對地設(shè)直在定子6的定子鐵芯 5邊上，它們匝數(shù)和幾何角度尺寸相同顯現(xiàn)兩對邊完全對稱，每個坐標(biāo)軸的兩對邊線圈4的出線以直流整流對沖相連8-1，轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)動時使它們的電動勢相減從而取得信號。圖8本發(fā)明實(shí)施例轉(zhuǎn)子位移O. Imm時的信號波，它是線圈4直流整流對沖相連8-1 的電動勢波形，這時轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)速為每分鐘1000轉(zhuǎn)。圖9本發(fā)明實(shí)施的特性線，可見徑向位移與電壓值的關(guān)系己乎是直線，靈敏度和精度都很高。本發(fā)明并不僅僅局限于上述的實(shí)施方式。與本發(fā)明屬同一基本構(gòu)思的其它形式， 也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明所述的技術(shù)方案是為解決本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題而設(shè)，相對于所要解決的技術(shù)問題，它建立了其技術(shù)內(nèi)容的完整性。將它實(shí)施于具體的徑向位移傳感器或其它產(chǎn)品中時，實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品所必需的技術(shù)特征，可以多于本發(fā)明技術(shù)方案解決技術(shù)問題的必要技術(shù)特征的總和。本發(fā)明各技術(shù)特征的含義按照說明書中各專有名詞的定義；沒有專門定義的，引入本技術(shù)領(lǐng)域的公知常識和技術(shù)，但該知識的范疇受限于本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、基本構(gòu)思、技術(shù)方案，結(jié)合它在本發(fā)明所具備的功能、所起的作用和產(chǎn)生的效果，即參考說明書及其附圖的內(nèi)容進(jìn)行理解，該特征名稱的文字措辭不是其含義的限制，以免產(chǎn)生對本發(fā)明的歧義。本發(fā)明進(jìn)一步作說明，本發(fā)明的說明書及其附圖所表達(dá)的所有內(nèi)容僅用作權(quán)利要求的解釋和理解，它不得積極、主動地介入確定權(quán)利要求保護(hù)范圍，即不可作為限制，尤其是跟本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題無關(guān)聯(lián)的內(nèi)容部分，更是如此。本條為說明書之內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種徑向位移傳感器，它包括永磁塊(2)，線圈(4)，定子￠)，轉(zhuǎn)子(3)，轉(zhuǎn)子(3)與定子(6)間設(shè)氣隙(7)，它的線圈(4)在定子(6)上，其特征在于永磁塊(2)固定在轉(zhuǎn)子(3) 上，使磁極(9)磁場在氣隙(7)處以N-S的順序沿轉(zhuǎn)子(3)周向排列，在定子(6)的中心建立x、y直角坐標(biāo)系，線圈(4)在坐標(biāo)軸上靠近氣隙(7)的兩對邊設(shè)置，每個坐標(biāo)軸兩對邊的線圈(4)出線對沖相連(8)，轉(zhuǎn)子(3)轉(zhuǎn)動時使感應(yīng)的電動勢相減從而取得信號。
2.如權(quán)利要求I所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的對沖相連(8)是整流對沖相連(8-1)。
3.如權(quán)利要求I所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的兩對邊的線圈(4)內(nèi)外兩排成組，每邊的線圈(4)全部串聯(lián)。
4.如權(quán)利要求I所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的兩對邊的線圈(4)內(nèi)外兩排成組，每排線圈⑷串聯(lián)后，每邊的兩排線圈⑷再并聯(lián)在一起。
5.如權(quán)利要求I所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的磁極(9)數(shù)量為2的整數(shù)次方倍。
6.如權(quán)利要求I所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的線圈(4)兩對邊的完全對稱。
7.如權(quán)利要求6所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的線圈(4)所占的角度大小與磁極(9)相等。
8.如權(quán)利要求7所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的對沖相連(8)是整流對沖相連(8-1)。
9.如權(quán)利要求8所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的兩對邊的線圈(4)內(nèi)外兩排成組，每排線圈⑷串聯(lián)后，每邊的兩排線圈⑷再并聯(lián)在一起。
10.如權(quán)利要求9所述的徑向位移傳感器，其特征還在于所述的兩對邊的線圈(4)是單個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種徑向位移傳感器，是被動型磁電式，專門用于旋轉(zhuǎn)部件的徑向位移測量，原始信號電壓較高，抗干擾能力強(qiáng)體積小，它的線圈(4)在定子(6)上，它的永磁塊(2)固定在轉(zhuǎn)子(3)上，使磁極(9)磁場在氣隙(7)處以N-S極的順序沿轉(zhuǎn)子(3)周向排列，在定子(6)的中心建立x、y直角坐標(biāo)系，線圈(4)設(shè)置在各坐標(biāo)軸靠近氣隙(7)的兩對邊，每個坐標(biāo)軸兩對邊的線圈(4)出線對沖相連(8)，轉(zhuǎn)子(3)轉(zhuǎn)動時使感應(yīng)的電動勢相減從而取得信號。采用這種結(jié)構(gòu)的徑向位移傳感器無動態(tài)頻率響應(yīng)問題，令測量精度、靈敏度，及用于控制時系統(tǒng)的穩(wěn)定性大為提高。
文檔編號G01B7/02GK102607396SQ201210101198
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者劉延風(fēng) 申請人:劉延風(fēng)