电涡流位移传感器线圈优化设计.pdfVIP

( ) 第 8 卷 第 3 期 北华大学学报 自然科学版 Vol . 8 No . 3 ( ) 2007 年 6 月 J OU RNAL OF B EIHUA UN IV ERSI T Y Natural Science J un . 2007 文章编号 :(2007) 电涡流位移传感器线圈优化设计 浦铁成 , 白　晶 (北华大学 电气信息工程学院, 吉林 吉林 　132 02 1) 摘要 :高速磁悬浮转轴间隙的精确测量是磁悬浮转轴系统可靠工作的重要保障. 电涡流位移传感器被广泛应用 于这种间隙的测量. 由于磁悬浮转轴系统空间有限 ,所以要求传感器既要有很高的灵敏度同时检测线圈的尺寸 要尽可能缩小 ,为此提出了 1 种电涡流位移传感器检测线圈的多参数设计方法. 该方法利用线圈的品质因数和 所激发的磁感应强度梯度以及线圈导线的总长度 3 个参数构成 1 个优化函数 ,并采用遗传算法求解该函数 ,从 而得到了最佳的检测线圈尺寸. 通过 MA TLAB 仿真已验证了该方法的有效性. 关键词 : 电涡流传感器 ;线圈;优化设计 中图分类号 : TH822 　　　　文献标识码 :A 　 在用于航空航天飞行器的惯性导航系统中 ,高速磁悬浮转轴系统是其重要的组成部分. 磁悬浮转轴在 高速旋转时会偏离其旋转轴线 ,导致与周围部件发生碰撞 ,造成导航系统损坏 , 因此对转轴间隙的实时精 确测量显得尤为重要. 同时 , 由于惯性导航系统体积有限 ,对传感器的体积有着严格的限制. 本文研究了用 于此种情况下的电涡流位移传感器检测线圈的优化设计方法. 1 　电涡流位移传感器的原理 　　1 块金属导体放置在 1 个线圈附近 ,相互不接触 , 如图 1 所示. 当线圈中通有高频交变电流 i 1 时, 在线 圈周围产生交变磁场 ; 交变磁场 将通过附近的金 1 1 属导体产生电涡流 i , 同时产生交变磁场 , 且 和 2 2 1 的方向相反. 对 有反作用, 从而使线圈中的电 2 2 1 流 i 1 的大小和相位均发生变化 ,即线圈中的等效阻抗 发生了变化 ,这就是电涡流效应[ 1 ] . 线圈阻抗的变化与电涡流效应密切相关 , 即与线 圈的半径 r 、激励电流 i 1 的幅值 、频率 ω、金属导体的 图 1 　电涡流效应示意图 Fig . 1 　Effect of e ddy current ρ μ 电阻率 、磁导率 以及线圈到导体的距离 x 有关, 可 ( ω ρ μ ) 以写成 Z = f r , i 1 , , , , x . 实际应用时 ,控制上述这些可变参数 ,只改变其中的 1 个参数 ,则线圈阻 抗的变化就成为这个参数的单值函数 ,这就是利用电涡流效应实现测量的主要原理. 在分析中 ,可以将金属导体等效看作 1 个短路线圈 ,它与扁平线圈构成变压器的副边与原边. 如图 2 所示. 图2 中 , R 1 和 L 1 分别为通电线圈的铜阻抗和电感, R 2 和 L 2 为金属导体的等效电阻和电感. 线圈和 导体间的互感系数 M 随间隙