一種新型的磁懸浮軸承磁場均勻性測試儀

1 磁懸浮軸承的結構原理

圖1所示為一簡單的磁懸浮系統(tǒng)，由轉子、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。假設在參考位置上，轉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換成控制信號，然后功率放大器將控制信號轉換成電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅動轉子返回到原來的位置。因此，不論轉子受到向下或向上的擾動，轉子始終處于穩(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備，廣泛應用于核物理研究、電機制造和環(huán)境電磁場監(jiān)測等領域。測量空間磁場的方法主要有霍爾效應法、磁阻效應法、電磁感應法、磁通門法、核磁共振法、磁光法等，其中基于霍爾效應測量方法所使用的霍爾器件靈敏度高、體積小、適應頻率和穩(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 儀器總體結構的設計

如圖2所示，設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，一方面將測量結果進行實時顯示，另一方面將測量結果保存到存儲器，并統(tǒng)計一段時間內測量結果的峰值和平均值；該儀器還有RS 232接口，可與調制解調器(Modem)連接，將實時測量結果與過去一段時間內測量結果的統(tǒng)計值傳送到遠方的監(jiān)控主機，實現(xiàn)磁場的網(wǎng)絡化測量。

4 傳感和放大電路的設計

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℃的溫度范圍內均具有良好的線性度。其內部結構由霍爾元件、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)(磁感應強度B=0)時的輸出電壓約為電源電壓的1／2，當磁感應強度變化時輸出電壓在此基礎上變化，并且當環(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，使得測量更加準確、穩(wěn)定、可靠。

5 采集電路的設計

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轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換顯片，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換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A／D轉換器，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 軟件設計

軟件部分是對轉換之后的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，流程見圖5。

7 儀器校準及實驗結果

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，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。在校準時，只需調節(jié)儀器內部的電位器使儀器在磁感應強度為0時顯示0.00 mT即可。根據(jù)實驗測試結果，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。