6.1 磁悬浮轴承位移传感器：类型、选型与电涡流传感器技术

6.1 位移传感器：类型、选型与电涡流传感器技术

位移传感器是磁悬浮轴承闭环控制系统的“感知器官”，其性能（精度、带宽、分辨率、线性度、稳定性）直接决定了系统所能达到的悬浮精度、刚度和稳定性上限。一个高性能的磁悬浮轴承系统，离不开对其位移反馈环节的深刻理解与精心设计。本节将系统阐述适用于磁悬浮轴承的非接触式位移传感器的三种主要类型及其选型依据，并重点剖析在工业与科研领域应用最为广泛的电涡流传感器的工作原理、探头设计关键与信号调理电路技术。

6.1.1 非接触式位移传感器的主要类型与比较

磁悬浮轴承要求传感器具备非接触、高带宽、高分辨率和高可靠性。主要技术路线包括电涡流式、电感式和电容式。

1. 电涡流传感器

• 工作原理：基于电磁感应原理。传感器探头内的线圈通以高频交流电流（通常为0.5-2 MHz），产生高频交变磁场。当磁场作用于附近的金属导体（转子表面）时，会在其表层感应出涡流。该涡流产生的次级磁场反作用于探头线圈，改变其等效阻抗。阻抗的变化量与探头到导体表面的距离存在函数关系，通过测量电路转换为电压信号输出。
• 优点：
  • 结构坚固，对环境耐受性强（油污、灰尘、水汽影响较小）。
  • 仅对导电金属敏感，不受介质（如空气、润滑油）变化影响。
  • 测量带宽高，通常可达10 kHz以上，满足高速动态控制需求。
  • 分辨率极高，可达亚微米级。
• 缺点：
  • 输出特性受被测材料电导率、磁导率影响，必须针对目标材料进行标定。
  • 测量范围与分辨率存在矛盾，典型线性范围约为探头直径的1/3-1/2。
  • 对被测表面平整度、均匀性有一定要求。
• 典型应用：磁悬浮轴承径向和轴向位移测量的主流选择，尤其适用于钢、铝等金属转子[1]。

2. 电感式传感器

• 工作原理：通常采用差动变压器（LVDT，线性可变差动变压器）或变气隙式电感原理。以差动变压器为例，其由一个初级线圈和两个对称反向串联的次级线圈组成，内部有一个可移动的铁磁芯。铁芯的位移改变了初级与两个次级线圈间的磁耦合系数，从而在两个次级线圈上感应出差动电压，该电压与铁芯位移成正比。
• 优点：
  • 理论上具有无限的分辨率。
  • 线性度极好，在整个量程内输出与位移呈高度线性关系。
  • 无接触磨损，寿命长。
• 缺点：
  • 活动铁芯需与测量目标机械连接，增加了结构的复杂性，在高转速下可能引入动平衡问题。
  • 带宽通常低于电涡流传感器（优质LVDT可达数百Hz至数kHz）。
  • 对电磁干扰较敏感，需要良好的屏蔽。
• 典型应用：更适用于轴向位移测量，或对线性度和分辨率要求极高、但对带宽要求不极端、且允许安装活动铁芯的场合[2]。

3. 电容式传感器

• 工作原理：基于平板电容器原理，C=εA/dC = \varepsilon A / dC=εA/d。传感器探头作为一个极板，被测转子表面作为另一个极板。位移ddd的变化引起电容CCC变化，通过高频振荡或交流电桥电路检测电容变化并转换为电压信号。
• 优点：
  • 对任何材料（导体、非导体）都敏感。
  • 理论分辨率最高，可达纳米级。
  • 动态响应好，带宽高。
• 缺点：
  • 对环境（湿度、温度、介质）变化极其敏感，测量精度易受干扰。
  • 测量范围极小（通常为毫米以下）。
  • 对探头与被测面之间的平行度要求极为苛刻。
  • 易受电磁干扰。
• 典型应用：主要用于实验室环境下的超高精度（纳米级）微位移测量，或对非金属转子进行测量，在工业磁轴承中应用较少[3]。

表1总结了三种传感器的核心特性对比。
表1 磁悬浮轴承常用位移传感器类型对比

6.1.2 传感器选型的基本原则

为特定磁悬浮轴承应用选择位移传感器，需基于以下原则进行系统权衡：

1. 性能匹配：传感器的线性范围必须大于转子的最大允许振动位移（通常为气隙的30%-50%）。其带宽应至少是控制系统目标带宽的5-10倍，以避免传感器相移对稳定性的影响。分辨率需高于悬浮精度要求一个数量级。
2. 材料兼容性：电涡流传感器必须根据转子材料（如45钢、不锈钢、铝）进行选型和标定。材料电导率和磁导率的变化（如温度引起）会导致灵敏度漂移。
3. 环境适应性：考虑工作环境中的温度、油雾、切削液、电磁干扰等因素。工业环境首选电涡流传感器。
4. 空间与安装约束：传感器探头尺寸、安装空间（径向空间、轴向空间）、布线要求需与机械结构兼容。
5. 成本与可靠性：在满足性能前提下，考虑系统成本。电涡流传感器因其优异的综合性能和可靠性，在绝大多数工业磁轴承中成为默认选择。

6.1.3 电涡流传感器的工作原理与数学模型

电涡流传感器的核心是探头线圈与被测导体构成的电磁耦合系统。线圈在高频电流I1(ω)I_1(\omega)I1​(