袁海文 吕洪林
摘 要 为了提高电磁铁的测试水平,介绍一种可用于电磁铁位移时间特性测试的新型位移传感器,从试制结果看利用分布磁场-霍耳效应来制作位移传感器是可行的。
关键词 电磁铁 传感器 位移
Study of Electromagnet Displacement Censor Which is Based on Distributed Magnetic Field
Yuan Haiwen Lu Honglin
(Beijing University of Aeronautics andAstronautics 100081 China)
Abstract A new kind of electromagnet displacement censor, which is based on distributed magnetic field, has been introduced in this thesis.
Key words electromagnet censor displacement
1 引 言
现代飞机的控制系统中,源于传统和可靠性,仍大量地使用油液压控制器。这样,就需要各种各样的电磁阀,电磁阀的核心是电磁铁。电磁铁的设计、研究工作中,需要对其动态参数进行测量。这种测量的难点之一在于位移的测量,从位移和时间的关系可以得到速度和加速度等参数。位移测量的关键在于位移传感器的研制工作。
位移传感器种类繁多,有电位器式、电感式和光电式。但是,电位器式中电刷和元件之间有摩擦,会影响寿命和灵敏度。电感式工作稳定,但动态频率响应低。光电式频响好,但是价格高,受环境影响大,油污、灰尘会使光栅阻塞。而且光栅也不能直接测位移,它的输出是一系列脉冲信号,由这些信号直接测得的是运动部件经过两个相邻光栅时的平均速度,位移时间特性是在此基础上推算得到的。因此,难以得到电磁铁动态过程中的最大速度、加速度等参数。
为了提高电磁铁的测试水平,在现有的基础上,研制一种专用的新型位移传感器是十分必要的。本文试制了一种可用于电磁铁位移时间特性测试的新型位移传感器。
2 分布磁场位移传感器的原理
给霍耳片加一个恒定的控制电流,让它在一个平行的梯度磁场中移动时,其输出电压将是随位移线性变化的。把霍耳片和运动部件相连,霍耳电压可以准确地反应位移的变化,采用图1所示的结构可以实现位移的测量。霍耳效应的频率响应比较高,完全可以满足电磁铁动态特性的测试要求。
图1 分布磁场位移传感器示意图
显然,由图1可以推断,磁场梯度越大,传感器灵敏度越高磁场梯度越均匀,传感器的线性度越好。具体实现中,可以采用线圈形成梯度磁场,结构如图2所示。当线圈采用细导线绕制时,磁场梯度是很均匀的。当两个线圈及导磁体完全一致时,线圈间的磁场沿x方向的变化为:
式中 f——单位长度线圈磁动势
Hx——导磁体在x处的磁场强度
g——导磁体间的比磁导
b——导磁体的宽度
当线圈均匀、材料的导磁率较高,并且线圈间的距离较小时,dB/dx近似为常数,即线圈间磁场近似为线性梯度磁场。
根据上式,要提高梯度磁场的线性,可以从下面几个方面来考虑:导磁体选用磁导率高的材料,以使导磁体的磁场强度Hx尽可能小,从而使传感器的灵敏度提高尽量使两导磁体相互平行,并使其间距尽可能小,从而保证两导磁体间的比磁导g等于常数线圈尽量采用较细的导线,缠绕尽量细密均匀,并且尽可能保持两线圈及导磁体形状完全一致,从而保证单位长度线圈磁动势f等于常数。
图2 梯度磁场产生示意图
3 霍耳元件的补偿电路
霍耳元件用半导体材料制成,环境温度对它有一定的影响。为减少这种影响,提高测量精度,应采用恒流源供电。
控制电流为额定值、作用磁场为零时,由于半导体材料的不均匀、霍耳电极安装的位置不正确或者控制电极接触不良,会造成控制电流分布不均匀,导致霍耳元件的输出端出现一个电动势,此电动势就是不等位电动势。它会给测试带来不便。在使用中,可以采用图3所示的电路,来补偿不等位电动势。在控制电流为额定值、作用磁场为零时,调节电位器RP,可以使元件输出为零。
图3 不等位电动势的补偿
4 传感器特性测试
该传感器在安装过程中,为避免磁短路,装配所用螺钉选用铜质,垫块、固定选用铝质材料,以使磁通主要集中在导磁体内部。连接霍耳元件的活动杆采用酚醛塑料材质,以避免运动过程中产生涡流。
在实验室对此传感器进行了初步的特性测试,情况如下:
(1)测试条件,线圈和霍耳元件均采用恒流源供电。线圈的励磁电流为0.3A,霍耳元件的控制电流为20mA。
(2)调节图3中的电位器RP,使霍耳片在传感器一端时,输出为零,从而使双极性输出变为单极性输出。
(3)测试时,将活动杆与游标卡尺相连,移动活动杆,在卡尺上读取数据,在三位半的万用表上读取电压值。所采用的霍耳片N-3501U内部已经有放大器,因此,可以采用万用表直接读取电压值,连测三次,结果如表所示。
表 霍耳位移传感器测试数据
位移 霍耳电压输出/mV 位移 霍耳电压输出/mV
/mm 1 2 3 /mm 1 2 3
0 8 9 6 10 75 74 75
2 15 14 16 12 90 90 91
4 29 28 30 14 106 105 106
6 44 44 45 16 121 122 121
8 60 59 60 18 129 129 128
5 结 论
从试制来看,利用分布磁场-霍耳效应来制作位移传感器是可行的。
从测试结果来看,位移特性中间段较好,而两端稍差一些,这主要是由于端部磁场的不均匀造成的同时,线性梯度磁场励磁线圈绕制的不均匀也会影响传感器的精度。
该位移传感器位移长度可以不受限制,用于实际测试时,可以选择传感器中部线性特性较好的一段来进行电磁铁位移时间特性的测试。
中国航空基础科研基金资助项目。
作者单位：北京航空航天大学 100081
激励:电圈通电后所产生磁场的过程.电压,电源的压降.电流,所流过导线的电荷.频率,每秒钟转速.基于分布磁场的电磁铁位移传感器的研究
袁海文 吕洪林
摘 要 为了提高电磁铁的测试水平,介绍一种可用于电磁铁位移时间特性测试的新型位移传感器,从试制结果看利用分布磁场-霍耳效应来制作位移传感器是可行的。
关键词 电磁铁 传感器 位移
Study of Electromagnet Displacement Censor Which is Based on Distributed Magnetic Field
Yuan Haiwen Lu Honglin
(Beijing University of Aeronautics andAstronautics 100081 China)
Abstract A new kind of electromagnet displacement censor, which is based on distributed magnetic field, has been introduced in this thesis.
Key words electromagnet censor displacement
1 引 言
现代飞机的控制系统中,源于传统和可靠性,仍大量地使用油液压控制器。这样,就需要各种各样的电磁阀,电磁阀的核心是电磁铁。电磁铁的设计、研究工作中,需要对其动态参数进行测量。这种测量的难点之一在于位移的测量,从位移和时间的关系可以得到速度和加速度等参数。位移测量的关键在于位移传感器的研制工作。
位移传感器种类繁多,有电位器式、电感式和光电式。但是,电位器式中电刷和元件之间有摩擦,会影响寿命和灵敏度。电感式工作稳定,但动态频率响应低。光电式频响好,但是价格高,受环境影响大,油污、灰尘会使光栅阻塞。而且光栅也不能直接测位移,它的输出是一系列脉冲信号,由这些信号直接测得的是运动部件经过两个相邻光栅时的平均速度,位移时间特性是在此基础上推算得到的。因此,难以得到电磁铁动态过程中的最大速度、加速度等参数。
为了提高电磁铁的测试水平,在现有的基础上,研制一种专用的新型位移传感器是十分必要的。本文试制了一种可用于电磁铁位移时间特性测试的新型位移传感器。
2 分布磁场位移传感器的原理
给霍耳片加一个恒定的控制电流,让它在一个平行的梯度磁场中移动时,其输出电压将是随位移线性变化的。把霍耳片和运动部件相连,霍耳电压可以准确地反应位移的变化,采用图1所示的结构可以实现位移的测量。霍耳效应的频率响应比较高,完全可以满足电磁铁动态特性的测试要求。
图1 分布磁场位移传感器示意图
显然,由图1可以推断,磁场梯度越大,传感器灵敏度越高磁场梯度越均匀,传感器的线性度越好。具体实现中,可以采用线圈形成梯度磁场,结构如图2所示。当线圈采用细导线绕制时,磁场梯度是很均匀的。当两个线圈及导磁体完全一致时,线圈间的磁场沿x方向的变化为:
式中 f——单位长度线圈磁动势
Hx——导磁体在x处的磁场强度
g——导磁体间的比磁导
b——导磁体的宽度
当线圈均匀、材料的导磁率较高,并且线圈间的距离较小时,dB/dx近似为常数,即线圈间磁场近似为线性梯度磁场。
根据上式,要提高梯度磁场的线性,可以从下面几个方面来考虑:导磁体选用磁导率高的材料,以使导磁体的磁场强度Hx尽可能小,从而使传感器的灵敏度提高尽量使两导磁体相互平行,并使其间距尽可能小,从而保证两导磁体间的比磁导g等于常数线圈尽量采用较细的导线,缠绕尽量细密均匀,并且尽可能保持两线圈及导磁体形状完全一致,从而保证单位长度线圈磁动势f等于常数。
图2 梯度磁场产生示意图
3 霍耳元件的补偿电路
霍耳元件用半导体材料制成,环境温度对它有一定的影响。为减少这种影响,提高测量精度,应采用恒流源供电。
控制电流为额定值、作用磁场为零时,由于半导体材料的不均匀、霍耳电极安装的位置不正确或者控制电极接触不良,会造成控制电流分布不均匀,导致霍耳元件的输出端出现一个电动势,此电动势就是不等位电动势。它会给测试带来不便。在使用中,可以采用图3所示的电路,来补偿不等位电动势。在控制电流为额定值、作用磁场为零时,调节电位器RP,可以使元件输出为零。
图3 不等位电动势的补偿
4 传感器特性测试
该传感器在安装过程中,为避免磁短路,装配所用螺钉选用铜质,垫块、固定选用铝质材料,以使磁通主要集中在导磁体内部。连接霍耳元件的活动杆采用酚醛塑料材质,以避免运动过程中产生涡流。
在实验室对此传感器进行了初步的特性测试,情况如下:
(1)测试条件,线圈和霍耳元件均采用恒流源供电。线圈的励磁电流为0.3A,霍耳元件的控制电流为20mA。
(2)调节图3中的电位器RP,使霍耳片在传感器一端时,输出为零,从而使双极性输出变为单极性输出。
(3)测试时,将活动杆与游标卡尺相连,移动活动杆,在卡尺上读取数据,在三位半的万用表上读取电压值。所采用的霍耳片N-3501U内部已经有放大器,因此,可以采用万用表直接读取电压值,连测三次,结果如表所示。
表 霍耳位移传感器测试数据
位移 霍耳电压输出/mV 位移 霍耳电压输出/mV
/mm 1 2 3 /mm 1 2 3
0 8 9 6 10 75 74 75
2 15 14 16 12 90 90 91
4 29 28 30 14 106 105 106
6 44 44 45 16 121 122 121
8 60 59 60 18 129 129 128
5 结 论
从试制来看,利用分布磁场-霍耳效应来制作位移传感器是可行的。
从测试结果来看,位移特性中间段较好,而两端稍差一些,这主要是由于端部磁场的不均匀造成的同时,线性梯度磁场励磁线圈绕制的不均匀也会影响传感器的精度。
该位移传感器位移长度可以不受限制,用于实际测试时,可以选择传感器中部线性特性较好的一段来进行电磁铁位移时间特性的测试。
中国航空基础科研基金资助项目。
作者单位：北京航空航天大学 100081
参考资料：王宝龄.电磁电器设计基础.北京:国防工业出版社,1989
一， 电阻电路的叠加原理
设某一支路的电流或电压的响应为 y（t）， 分布于电路中的的n个激励为 ,各个激励的网络函数为 ， 则
y(t)=
注：对给定的电阻电路，若 为常数，则体现出响应和激励的比例性和齐次性。
例：求下图中的电压
解:
当只有电压源作用时,电流源视为开路,
=0.5A 2 =1A ∴ =2V-3V=-1V
当只有电流源作用时，电压源视为短路
4W的电阻被短路， =0 ∴受控源相当于断路
∴ =9
∴ = + =8V
二， 正弦稳态电路下的叠加原理
正弦稳态下的网络函数 H(jw)=|H(jw)|
(1) 若各正弦激励均为同一频率，则可根据同一向量模型进行计算
例 使用叠加原理求电流 i(t)
已知 (t)=10sin(100t) mA (t)=5cos(100t) V
解：
当电流源单独作用时，电压源视为短路
当电压源单独作用时，电流源视为断路
两者叠加
(2) 若各正弦激励的频率不相同，则需根据各自的向量模型进行计算
例 已知作用于RLC 串联电路的电压为u(t)=[50cos(wt)+25cos(3wt+60)]V，且已知基波频率是的输入阻抗为Z(jw)=R+j(wL-1/wC)=[8+j(2-8)] ，求电流i(t)。
解 由输入阻抗可知
在 时，R=8 , L=2 , 1/ C=8
在3 时，R=8 , 3 L=6 , 1/3 C=8/3
当 V作用时，
当25cos(3 t+60)V作用时
∴i =[5cos(wt+36.9)+2.88cos(3wt+37.4)]A
注意：切勿把两个电流向量相加，他们是代表不同频率的正弦的向量，相加后没有任何意义。
三， 动态电路时域分析的叠加原理
初始时刻 t=0 以后的全响应为
全响应=零输入响应+零状态响应
对于单位阶跃响应 s(t) 和单位冲激响应 h(t)
他们都是在零状态下定义的。如果是非零初始状态，叠加上相应的零输入响应即得全响应
例
输入为单位阶跃电流，已知 ， ，求输出电压u(t)。
解
将电路改成如下图所示，上下两部分可分别作为一个一阶网络
RC部分： T=RC=1s
阶跃响应：
零输入响应：
所以叠加得，
同理，RL部分：
由阶跃响应和零输入响应叠加得，
所以
四，功率与叠加原理
（1） 功率一般不符合叠加原理
（2） 可运用叠加原理的特殊情况
（a） 同频率的正弦激励作用下的稳态电路，求平均功率P
例
对于单口网络N，端口电压，电流为
求网络消耗的平均功率。
解
（b） 不含受控源的线性电阻电路，电压源组对电路提供的功率和电流源组对电路提供的功率等于所有电源对电路提供的总功率。
例
试由下图说明电压源和电流源对电路提供的总功率可以用叠加方法得到。
解
（1） 利用功率叠加
利用节点电压法，有
解得：
所以
（2）不利用功率叠加，当只有电压源作用时
当只有电流源作用时，
所以，
由此可见，两种计算方法算得的结果相同。
但是，此题若改成两个电压源或是两个电流源，则不能用叠加的方法计算。
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