一种新型的磁悬浮轴承磁场均匀性测试仪

磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元件、电磁原理的发展，磁悬浮技术得到了长足的发展。目前，同内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承，他的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界科学界的特别关注，国内外学者和企业界人士对磁悬浮轴承都有极大的兴趣。

1 磁悬浮轴承的结构原理

图1所示为一简单的磁悬浮系统，由转子、传感器、控制器和执行器4个部分组成。

其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移转换成控制信号，然后功率放大器将控制信号转换成电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来的位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终处于稳定的平衡状态。

2 研究现状

磁力轴承磁性不均匀性研制装置国内只有哈尔滨电工仪表研究所研制成此仪器，但尚有一些不足之处，为能准确测试磁轴承磁场的均匀性，我们采用不同的方案研制了本测试仪。

磁力检测仪是进行电磁场研究的一种常用设备，广泛应用于核物理研究、电机制造和环境电磁场监测等领域。测量空间磁场的方法主要有霍尔效应法、磁阻效应法、电磁感应法、磁通门法、核磁共振法、磁光法等，其中基于霍尔效应测量方法所使用的霍尔器件灵敏度高、体积小、适应频率和稳定范围宽，而且既可测量恒定磁场，又可测量交变磁场。传统的磁场测量设备(特斯拉计、高斯计)普遍存在精度低(典型测量精度为1.5％)、操作不便等缺点。

对于磁场检测仪的研制，以前的研究者采用了如下的实现方案：采用差动测量形式，电路形式简单，但由于测量方法自身的限制，精确度会受到一定的限制。这里就其原理作简单说明。

3 仪器总体结构的设计

如图2所示，设计的智能磁场测量仪采用霍尔传感器作为探头，其输出信号经放大器放大后进入V／F变换器，完成模拟量到数字量的转换；微处理器对V／F变换器的输出信号进行计数并作运算后，一方面将测量结果进行实时显示，另一方面将测量结果保存到存储器，并统计一段时间内测量结果的峰值和平均值；该仪器还有RS 232接口，可与调制解调器(Modem)连接，将实时测量结果与过去一段时间内测量结果的统计值传送到远方的监控主机，实现磁场的网络化测量。

4 传感和放大电路的设计

磁场测量仪的传感电路由2片UGN3503型集成霍尔传感器通过差动连接的方式构成。UGN3503是一种集成线性霍尔传感器，他具有高达13 mV／mT的磁场灵敏度、±90 mT的线性范围和23 kHz的带宽，其输出噪声小，在-2～+85℃的温度范围内均具有良好的线性度。其内部结构由霍尔元件、线性放大器、射极跟随器3大部分组成，如图3所示，UGN3503型集成霍尔传感器在静态(磁感应强度B=0)时的输出电压约为电源电压的1／2，当磁感应强度变化时输出电压在此基础上变化，并且当环境温度变化时静态输出电压也会有细微的变化。为了补偿环境温度变化对静态输出电压的影响，并提高测量的分辨率，本仪器的探头选用了两只配对的灵敏度相同的UGN3503型集成霍尔传感器，一正一反组合而成，这样不但可以抵消静态输出电压，还可以获得双倍的霍尔输出电压，使得测量更加准确、稳定、可靠。

5 采集电路的设计

AD574A是美国模拟数字公司(ANALOG)推出的单片高速12位逐次比较型A／D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A／D转换器，其主要功能特点有：

(1) 分辨率：12 b；

(2) 位非线性误差：小于±1／2 LBS或±1 LBS；

(3) 转换速率：25μs；

(4) 电源电压：±15 V和5 V；

(5) 数据输出格式：12位／8位；

(6) 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式。

我们采用AD574A来实现数据的采集过程。

6 软件设计

软件部分是对转换之后的数据进行显示和存储，流程见图5。

7 仪器校准及实验结果

由于本仪器的探头采用了线性元件，且仪器的量程在探头的线性传输范围之内，放大器也是工作在线性状态，所以本仪器具有良好的线性特征。在校准时，只需调节仪器内部的电位器使仪器在磁感应强度为0时显示0.00 mT即可。根据实验测试结果，该检测仪的工作稳定，在测量的过程中，误差可以控制在0.02％的范围以内。