磁懸浮系統(tǒng)氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)方法研究

羅 云，葉凌云，黃添添，牟文杰

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310027)

0 引 言

磁懸浮技術(shù)是一種先進(jìn)的支撐技術(shù)，具有無(wú)摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、功耗低、清潔無(wú)污染等［1～3］其他支撐技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前，磁懸浮技術(shù)已在磁懸浮列車、磁懸浮軸承等磁懸浮系統(tǒng)中有較多的應(yīng)用。磁懸浮系統(tǒng)通常利用電磁鐵實(shí)現(xiàn)懸浮體(被懸浮對(duì)象)的懸浮控制，電磁鐵與懸浮體之間的電磁力大小與兩者之間的磁場(chǎng)氣隙密切相關(guān)［1］，能否實(shí)現(xiàn)該磁場(chǎng)氣隙的高精度檢測(cè)對(duì)電磁力的精確計(jì)算和對(duì)懸浮控制的性能有著重要的意義。文獻(xiàn)［4］提出高速磁懸浮列車中氣隙磁場(chǎng)的分布和變化規(guī)律對(duì)列車的懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制以及改進(jìn)、優(yōu)化列車參數(shù)有著重要的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)［5］指出磁懸浮軸承繞組間氣隙磁場(chǎng)對(duì)懸浮性能有影響，如何準(zhǔn)確獲取兩套繞組氣隙磁場(chǎng)各自的分布情況成了磁懸浮軸承中實(shí)現(xiàn)懸浮控制的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，設(shè)法解決磁懸浮系統(tǒng)氣隙磁場(chǎng)的高精度檢測(cè)問(wèn)題顯得很有必要。

在磁懸浮系統(tǒng)氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)中，國(guó)內(nèi)外常用的方法有霍爾效應(yīng)法、感應(yīng)線圈法。感應(yīng)線圈法在進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)，必須使通過(guò)探測(cè)線圈的磁通量發(fā)生變化，需要復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作，而且感應(yīng)電勢(shì)要經(jīng)過(guò)積分器積分輸出，這里勢(shì)必存在累積積分漂移問(wèn)題，測(cè)量精度受影響［6］?；魻栃?yīng)法是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者最多采用和研究的一種氣隙磁場(chǎng)測(cè)量方案，由于霍爾片體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可直接測(cè)量霍爾電勢(shì)，無(wú)需積分器，避免了積分漂移現(xiàn)象，測(cè)量精度能達(dá)到10－3～10－4量級(jí)［6］。但目前霍爾元件體積最小只能做到mm 級(jí)，對(duì)于更狹小氣隙磁場(chǎng)的測(cè)量沒(méi)有辦法。

本文以磁懸浮系統(tǒng)氣隙磁場(chǎng)的檢測(cè)為研究對(duì)象，提出了一種基于隧道型磁阻(TMR)傳感器陣列的氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)方案，TMR 傳感器不僅具備了霍爾磁傳感器體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可直接電壓輸出無(wú)需積分的優(yōu)點(diǎn)，而且有著更高的靈敏度、較低的噪聲輸出和相對(duì)較寬的測(cè)量范圍［7］。同時(shí)，TMR 傳感器本質(zhì)上是一種薄膜型器件，非常適合于做成傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，對(duì)于需要全面掌握氣隙磁場(chǎng)分布的磁懸浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是理想的解決方案。

1 檢測(cè)原理

基于TMR 傳感器陣列的氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)方案中，采用TMR 傳感器作為磁傳感元件，同時(shí)在氣隙磁場(chǎng)中進(jìn)行傳感器的多點(diǎn)布控，利用傳感器陣列來(lái)全面掌握氣隙磁場(chǎng)的信息，從而準(zhǔn)確得到電磁力的大小和變化。

TMR 傳感器是利用TMR 效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁傳感作用的一類高靈敏度磁傳感元件。在體積方面，TMR 傳感器由磁性薄膜和非磁性薄膜的混合材料制成的薄膜型器件，厚度可以做到μm 級(jí)，尺寸上滿足狹小氣隙磁場(chǎng)的測(cè)量需求。在靈敏度和精度方面，TMR 傳感器超過(guò)傳統(tǒng)磁傳感器(包括霍爾磁傳感器、異性磁阻傳感器等)至少1 個(gè)數(shù)量級(jí)。TMR不但能測(cè)磁場(chǎng)大小，還能檢測(cè)磁場(chǎng)方向，能夠檢測(cè)出磁場(chǎng)極性正是系統(tǒng)所要求的。

本方案中選擇Micro Magnetics 公司的STJ 系列產(chǎn)品，其測(cè)量范圍為±50 Oe，測(cè)量精度為5nT。

2 方案設(shè)計(jì)

為降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)了基于單TMR 傳感器的氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，包括標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置(基于亥姆霍茲線圈)，傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、控制采集系統(tǒng)和上位機(jī)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)亥姆霍茲線圈作為磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，磁場(chǎng)大小由恒流源電流控制。

圖1 基于TMR 傳感器的氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的總體框圖Fig 1 Overall block diagram of air-gap magnetic field detecting system based on TMR sensor

磁傳感元件采用Micro Magnetics 的STJ—340 的TMR全橋傳感器，TMR傳感器置于亥姆霍茲線圈中心，檢測(cè)磁場(chǎng)。傳感器電路就是為全橋提供低噪聲穩(wěn)壓供電。系統(tǒng)采用低噪聲線性穩(wěn)壓芯片LT3032 提供±2.5 V 供電電壓，+2.5 V電壓輸出噪聲僅為20 μV，－2.5 V 電壓輸出噪聲僅為30 μV。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路放大和濾波，最終調(diào)理到AD 可采樣的范圍內(nèi)。放大電路采用TI 的INA118儀用放大器，濾波器采用2 個(gè)相同的二階巴特沃斯低通濾波器組成，低通濾波器截止頻率設(shè)為100 Hz。經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)最后傳輸至DSP 實(shí)驗(yàn)板上的高精度A/D 轉(zhuǎn)換器，DSP 實(shí)驗(yàn)板控制AD 采樣，并將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。上位機(jī)采用Matlab 編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析，最終獲得TMR傳感器輸出電壓與施加磁場(chǎng)激勵(lì)的關(guān)系曲線。

2.1 亥姆霍茲線圈設(shè)計(jì)

當(dāng)所需產(chǎn)生的磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，使用亥姆霍茲線圈是比較方便的。亥姆霍茲線圈的設(shè)計(jì)需要確定5 個(gè)參數(shù)，它們分別為漆包線外徑D、軸向線線圈匝數(shù)M、徑向線圈匝數(shù)N、最內(nèi)層線圈的半徑R0和兩組線圈之間的間距L0，如圖2所示。確定這5 個(gè)參數(shù)就可以唯一地確定一個(gè)亥姆霍茲線圈。

圖2 亥姆霍茲線圈特征參數(shù)Fig 2 Characteristic parameters of Helmholtz coil

確定這5 個(gè)參數(shù)后，可進(jìn)一步推導(dǎo)出

取R0=15 mm，D=0.5 mm，M=25，N=25，用Mathcad計(jì)算可得，當(dāng)L0=10 mm 時(shí)，線圈間的磁場(chǎng)均勻性最好，所設(shè)計(jì)的亥姆霍茲線圈中心最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為25 Gs，均勻區(qū)長(zhǎng)度為5.2 mm，最大非均勻度為6×10－5。用Solidworks 繪制的亥姆霍茲線圈如圖3 所示。

2.2 電磁兼容設(shè)計(jì)

為了提供一個(gè)可靠的測(cè)試環(huán)境，必須對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行磁屏蔽。對(duì)于地磁場(chǎng)和低頻磁場(chǎng)都要用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料來(lái)屏蔽，且磁導(dǎo)率越高，屏蔽層越厚，屏蔽效果越好。

圖3 亥姆霍茲線圈剖視圖Fig 3 Sectional view of Helmholtz coil

屏蔽的效果取決于屏蔽材料和屏蔽體的結(jié)構(gòu)。屏蔽材料選擇低碳鋼，相對(duì)磁導(dǎo)率μr≈1 000。最終的屏蔽殼結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 屏蔽殼剖面圖Fig 4 Sectional view of shielding shell

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

測(cè)試在磁屏蔽房中完成，室內(nèi)溫度保持在25 ℃左右。調(diào)節(jié)流過(guò)亥姆霍茲線圈的電流，使電流從0 開(kāi)始，逐漸增大至50 mA，間隔為1 mA;又從50 mA 逐漸降低至－50 mA;最后逐漸增大至50 mA。用列向量V 表示每個(gè)電流值對(duì)應(yīng)得電壓值，同時(shí)將電流值折算成磁感應(yīng)強(qiáng)度值，將得到向量M。M 和V 都是251 個(gè)元素的列向量，用Malab 作出V 和M 的關(guān)系圖，如圖5 所示。

圖5 TMR 輸出電壓與施加磁場(chǎng)的關(guān)系圖Fig 5 Diagram of relationship between TMR output voltage and exerted magnetic field

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，采用最小二乘法來(lái)擬合。考慮以X 的線性函數(shù)a+bX 來(lái)近似表示Y。以均方誤差σ2=E［(Y－(a+bX)2］來(lái)衡量以a+bX 近似表示Y 的好壞程度。σ2的值越小，表示a+bX 與Y 的近似程度越好。這樣，將σ2分別關(guān)于a，b 求偏導(dǎo)數(shù)，并令它們等于0，解得系數(shù)a，b 的值

用Matlab 來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算，可得擬合曲線方程為:y=16.753 9x+8.252 3，如圖6 所示。原始曲線與擬合曲線之間的誤差如圖7 所示。

圖6 最小二乘法擬合直線Fig 6 Fitting curve of least square method

圖7 誤差曲線Fig 7 Error curve

由誤差曲線圖可以得出，TMR 的最大非線性誤差為δL≈4.3%。

由于TMR 傳感器的零點(diǎn)偏移和非線性誤差屬于系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差由于知道其規(guī)律，通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒梢赃M(jìn)行修正［8］。而隨機(jī)誤差無(wú)法修正，因此，隨機(jī)誤差決定了測(cè)量系統(tǒng)所能達(dá)到的精度。而磁滯占了隨機(jī)誤差的絕大部分，所以，影響測(cè)量精度的主要是磁滯。如果采取補(bǔ)償方法后，影響測(cè)量精度的因素主要是磁滯，最理想的情況，測(cè)量不確定可以達(dá)到±0.5%FS。

4 結(jié) 論

基于TMR 傳感器陣列的氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)方案為磁懸浮系統(tǒng)的氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)提供了新的途徑和方法?；谠摲桨秆兄频膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)取得了比較好的磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，影響磁場(chǎng)測(cè)量精度的主要因素是磁滯，要想進(jìn)一步提高磁場(chǎng)的檢測(cè)精度，必須設(shè)法消除磁傳感器的磁滯影響。

［1］ 曹廣忠，潘劍飛，黃蘇丹，等.磁懸浮系統(tǒng)控制算法及實(shí)現(xiàn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2013.

［2］ 胡業(yè)發(fā)，周祖德，江征風(fēng).磁力軸承的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:3.

［3］ 練 斌，葉凌云，黃添添，等.磁懸浮式加速度計(jì)前期研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(7):70－72.

［4］ 田武剛，潘孟春，羅飛路，等.高速磁懸浮列車磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004(4):15－17.

［5］ 王曉林，林盈杰，鄧智泉，等.基于探測(cè)線圈的無(wú)軸承異步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)測(cè)量方法研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(10):109－114.

［6］ 王國(guó)安，閻和平.霍爾元件特性的研究及其在加速器磁場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1982，12(4):124－132.

［7］ Ripka P，Janosek M.Advances in magnetic field sensors［J］.Sensors Journal，IEEE，2010，10(6):1108－1116.

［8］ Bernieri A，F(xiàn)errigno L，Laracca M，et al.Improving GMR magnetometer sensor uncertainty by implementing an automatic procedure for calibration and adjustment［C］∥Proceedings of Instrumentation and Measurement Technology Conference，IMTC 2007，IEEE，2007.