一种人工心脏泵转子轴向位移测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种人工心脏泵转子轴向位移测量装置，采用的技术方案是：一种人工心脏泵转子轴向位移测量装置，所述测量装置包括在转子轴向上设置的至少一个轴向单电磁轴承，在转子径向上设置的至少两个径向永磁轴承，同时在转子径向上还设有至少一个轴向位移检测装置，位移检测装置连接在轴向位移控制系统中。有益效果在于：没有增加被检测零件，系统结构简单，缩短了心脏泵的轴向长度；利用径向永磁轴承转子磁环本身的磁场变化，采用霍尔传感器测量转子轴向位移，灵敏度高，体积小，易于安装；霍尔传感器的布置方式及输出电压的解耦算法消除了转子径向位移对霍尔传感器输出电压的影响，因此，霍尔传感器的输出电压变化完全反映了转子的轴向位移变化情况。

权利要求

1.一种人工心脏泵转子轴向位移测量装置，其特征在于：所述测量装置包括在转子轴向上设置的至少一个轴向单电磁轴承，在转子径向上设置的至少两个径向永磁轴承，同时在转子径向上还设有至少一个轴向位移检测装置，轴向位移检测装置连接在轴向位移控制系统中，所述径向放置的轴向位移检测装置为4个，在转子的圆周方向均布。

2.按照权利要求1所述的人工心脏泵转子轴向位移测量装置，其特征在于：所述径向放置的轴向位移检测装置包括位移信号处理器、电磁轴承控制器和功率放大器，所述位移信号处理器将径向放置的轴向位移检测装置输出的径向位移信号进行放大并运算、消除径向位移对轴向位移检测的影响后输送给电磁轴承控制器，所述电磁轴承控制器通过控制策略运算将经过位移信号处理器处理后输出的信号转换成转子轴向位移电压控制信号，所述功率放大器将转子轴向位移电压控制信号转换成轴向单电磁轴承电磁线圈中电流。

3.按照权利要求2所述的人工心脏泵转子轴向位移测量装置，其特征在于：所述电磁轴承控制器为PID控制器。

4.按照权利要求2所述的人工心脏泵转子轴向位移测量装置，其特征在于：所述径向放置的轴向位移检测装置为霍尔传感器。

5.一种用于权利要求1所述人工心脏泵转子轴向位移测量装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：

1）在转子的径向圆周方向上均布四个径向放置的轴向位移检测装置，由该装置测量获得径向位移信号；

2）将径向位移信号传递给位移信号处理器，由该位移信号处理器将所述径向位移信号进行放大并运算、消除径向位移对轴向位移检测的影响；

3）将经位移信号处理器处理后得到的轴向位移信号传递给电磁轴承控制器，由电磁轴承控制器通过控制策略运算将轴向位移信号转换成转子轴向位移电压控制信号；

4）将转子轴向位移电压控制信号传递给功率放大器，由功率放大器将转子轴向位移电压控制信号转换成轴向单电磁轴承电磁线圈中电流用于控制转子的轴向位移。

6.按照权利要求5所述的人工心脏泵转子轴向位移测量装置的测量方法，其特征在于：所述消除转子径向位移对轴向位移检测影响的方法是：四个径向放置的轴向位移检测装置的输出电压分别为V1～V4，转子悬浮在中间位置时，径向设置的轴向位移检测装置的输出均为V0，转子径向偏离平衡位置Δx、Δy，轴向偏离平衡位置Δz，所述径向设置的轴向位移检测装置的输出为V1= V0 + ΔVy + ΔVz

V2= V0 + ΔVx + ΔVz

V3= V0-ΔVy + ΔVz

V4= V0 - ΔVx + ΔVz

V=V1+V2+V3+V4=4V0+4ΔVz=4(V0+ΔVz) 其中，ΔVx表示径向位移Δx对径向设置的轴向位移检测装置输出电压的影响，ΔVy表示径向位移Δy对径向设置的轴向位移检测装置输出电压的影响，ΔVz表示轴向位移Δz对径向设置的轴向位移检测装置输出电压的影响。

7.按照权利要求5所述的人工心脏泵转子轴向位移测量装置的测量方法，其特征在于：所述径向设置的轴向位移检测装置为霍尔传感器。

说明书

一种人工心脏泵转子轴向位移测量装置及其测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种人工心脏泵，尤其是涉及一种磁悬浮人工心脏泵的转子轴向位移测量装置及其测量方法。

背景技术

[0002] 磁悬浮人工心脏泵的磁悬浮系统可分为电磁悬浮系统、永磁悬浮系统以及混合悬浮系统。永磁轴承是被动稳定的，不需要传感器检测转子位移；电磁轴承和混合轴承（电磁、永磁混合轴承）是主动稳定的，需要通过无接触的方式利用传感器来检测转子位移，然后将位移信号送入控制器，控制电磁线圈中的电流，从而达到控制转子悬浮位置的目的。因此，位移传感器是磁悬浮人工心脏泵的重要组成部分之一，其性能也会影响整个系统的性能。

[0003] 在磁悬浮系统中，转子无接触的悬浮于空间中，转子位移只能通过无接触的方式来检测，能够完成这种检测方式的传感器有电涡流式传感器、超声波传感器、电容式传感器、霍尔传感器以及光学传感器等。由于磁悬浮人工心脏泵的特殊工作环境和要求，目前采用的位移传感器有电涡流传感器、超声波传感器及霍尔传感器等，而在在心脏泵中应用相对较多的是电涡流传感器，这种传感器具有动态性能好、输出线性度好、体积较小等特点。但是，电涡流传感器对被测表面的材料具有一定的选择性，材料不同，其性能也不同；测量转子的轴向位移时，必须安装在轴端，由于其长度较长，加长了心脏泵长度；并且传感器探头不能与血液直接接触，必须在传感器探头表面覆盖一层钛合金薄片，这也会影响传感器性能；电涡流传感器需要独立安装，不利于磁力轴承轴向系统的一体化设计。

[0004] 超声波传感器是实现声电转换的装置，通过发射和接收超声波，把超声波的能量转换成易于检测的电信号，应用起来原理简单，方便，成本也很低。但是超声波传感器目前还存在一些反射、噪声问题；并且超声波传感器测量转子的轴向位移时，也需要安装在转子轴端，加长了心脏泵轴向长度。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种转子轴向位移径向测量的测量装置及其测量方法，具有检测可靠、人工心脏泵轴向尺寸小等优点，采用的技术方案是：一种人工心脏泵转子轴向位移测量装置，其特征在于：所述测量装置包括在转子轴向上设置的至少一个轴向单电磁轴承，在转子径向上设置的至少两个径向永磁轴承，同时在转子径向上还设有至少一个轴向位移检测装置，轴向位移检测装置连接在轴向位移控制系统中，所述径向放置的轴向位移检测装置为4个，在转子的圆周方向均布。

[0006] 本发明的技术特征还有：所述径向放置的轴向位移检测装置包括位移信号处理器、电磁轴承控制器和功率放大器，所述位移信号处理器将径向放置的轴向位移检测装置输出的径向位移信号进行放大并运算、消除径向位移对轴向位移检测的影响后输送给电磁轴承控制器，所述电磁轴承控制器通过控制策略运算将经过位移信号处理器处理后输出的信号转换成转子轴向位移电压控制信号，所述功率放大器将转子轴向位移电压控制信号转换成轴向单电磁轴承电磁线圈中电流。

[0007] 本发明的技术特征还有：所述电磁轴承控制器为PID控制器。

[0008] 本发明的技术特征还有：所述径向放置的轴向位移检测装置为霍尔传感器。

[0009] 本发明的技术特征还有：所述测量方法包括以下步骤：

[0010] 1）在转子的径向圆周方向上均布四个径向放置的轴向位移检测装置，由该装置测量获得径向位移信号；

[0011] 2）将径向位移信号传递给位移信号处理器，由该位移信号处理器将所述径向位移信号进行放大并运算、消除径向位移对轴向位移检测的影响；

[0012] 3）将经位移信号处理器处理后得到的轴向位移信号传递给电磁轴承控制器，由电磁轴承控制器通过控制策略运算将轴向位移信号转换成转子轴向位移电压控制信号；

[0013] 4）将转子轴向位移电压控制信号传递给功率放大器，由功率放大器将转子轴向位移电压控制信号转换成轴向单电磁轴承电磁线圈中电流用于控制转子的轴向位移。

[0014] 本发明的技术特征还有：所述消除转子径向位移对轴向位移检测影响的方法是：四个径向放置的轴向位移检测装置的输出电压分别为V1～V4，转子悬浮在中间位置时，径向设置的轴向位移检测装置的输出均为V0，转子径向偏离平衡位置Δx、Δy，轴向偏离平衡位置Δz，所述径向设置的轴向位移检测装置的输出为

[0015] V1= V0 + ΔVy + ΔVz

[0016] V2= V0 + ΔVx + ΔVz

[0017] V3= V0-ΔVy + ΔVz

[0018] V4= V0 - ΔVx + ΔVz

[0019] V=V1+V2+V3+V4=4V0+4ΔVz=4(V0+ΔVz)

[0020] 其中，ΔVx表示径向位移Δx对径向设置的轴向位移检测装置输出电压的影响，ΔVy表示径向位移Δy对径向设置的轴向位移检测装置输出电压的影响，ΔVz表示轴向位移Δz对径向设置的轴向位移检测装置输出电压的影响。

[0021] 本发明的技术特征还有：所述径向设置的轴向位移检测装置为霍尔传感器。

[0022] 本发明的有益效果在于：本测量装置采用在径向安装的霍尔传感器测量径向永磁轴承转子磁环的磁感应强度B的变化情况，来反映转子的轴向位移，并用于转子的轴向控制过程，实现了轴向主动悬浮、径向被动悬浮，完成空间五自由度悬浮过程，具有以下优点：

[0023] （1）没有增加被检测零件，系统结构简单，缩短了心脏泵的轴向长度；

[0024] （2）利用径向永磁轴承本身的磁场变化，采用霍尔传感器测量转子位移，灵敏度高，体积小，易于安装；

[0025] （3）霍尔传感器价格便宜，降低了系统成本；

[0026] （4）霍尔传感器安装在径向，不会与血液直接接触，并且避免了位移传感器安装在轴向时在出口导叶上钻导线孔的麻烦，便于零件加工及装配，并增强了系统的密封性能；

[0027] （5）霍尔传感器的布置方式及输出电压的解耦算法消除了转子径向位移对霍尔传感器输出电压的影响，因此，霍尔传感器的输出电压变化完全反映了转子的轴向位移变化情况。

附图说明

[0028] 图1为磁悬浮人工心脏结构示意图；

[0029] 图2为磁悬浮人工心脏泵控制系统结构示意图；

[0030] 图3为霍尔传感器径向布置位置示意图；

[0031] 图4为霍尔传感器原理简图；

[0032] 图5为永磁轴承转子磁感应强度B与转子轴向位移的关系；

[0033] 图6为霍尔传感器的VH-B曲线；

[0034] 图7为转子位移示意图。

[0035] 其中，1.前导叶，2.后导叶，3.转子，4.霍尔传感器，5.径向永磁轴承，6.轴向单电磁轴承，7.定子，8.泵体， 9.位移信号处理器，10.电磁轴承控制器，11.功率放大器。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图，对本发明进行具体说明。本磁悬浮人工心脏在泵体8中装有转子3，转子3轴向相应位置设有至少一个轴向单电磁轴承6，转子3的径向相应位置设有至少两个径向永磁轴承5，同时在与转子3的后端径向相应位置设有径向位移检测装置，径向位移检测装置与轴向位移控制系统相连接。径向位移检测装置采用霍尔传感器4，霍尔传感器4共有四个，它们沿圆周方向均匀安装。径向永磁轴承5有两个。

[0037] 霍尔传感器4是利用霍尔效应来实现磁电转换的一种传感器。霍尔元件置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流Ic流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 VH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势。流入的激励电流Ic越大，作用在薄片上的磁感应强度B越大，霍尔电势也越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器4能用于测量静态磁场或交变磁场。因此，当通过霍尔传感器4的磁感应强度B发生变化时，霍尔电势VH也随之改变。

[0038] 在图1所示的磁悬浮人工心脏泵中，在霍尔传感器4所在的轴线上，径向永磁轴承5的磁感应强度B沿轴向的分布如图5的a所示。由图5的b可见，径向永磁轴承5磁感应强度B在径向上的分量与轴向位移是非线性关系，并且在轴向位移为0-2mm之间的变化最大。

[0039] 霍尔传感器4的输出电压V与磁感应强度B的关系如图6所示，可见霍尔传感器4的输出电压与磁感应强度成线性关系。由于转子3的轴向位移范围很小，一般在-0.2mm～0.2mm之间，在此范围内，可近似认为磁感应强度B与轴向位移成正比。因此，可以认为霍尔传感器4的输出电压也与转子3的轴向位移成线性关系。

[0040] 径向永磁轴承5的转子3除了沿轴向运动外，还沿径向运动，当转子3沿径向移动微小距离时，霍尔传感器4测试面的磁感应强度也会发生变化，导致霍尔传感器4有一定的输出电压，从而使电磁轴承控制器10发出错误的控制信号。所以，为了消除径向位移对霍尔传感器4输出的影响，在一个径向平面内对称布置4个霍尔传感器4。

[0041] 利用这种布置方式消除径向位移对霍尔传感器4输出影响的基本原理是：假设霍尔传感器4的输出电压分别为V1～V4，转子3悬浮在中间位置时，霍尔传感器4的输出均为V0。考虑四个霍尔传感器4的输出与转子3位移的关系。假设转子3径向偏离平衡位置Δx、Δy，轴向偏离平衡位置Δz，那么各传感器的输出为

[0042] V1= V0 + ΔVy + ΔVz

[0043] V2= V0 + ΔVx + ΔVz

[0044] V3= V0 – ΔVy + ΔVz

[0045] V4= V0 - ΔVx + ΔVz

[0046] V=V1+V2+V3+V4=4V0+4ΔVz=4(V0+ΔVz) （1）

[0047] 其中，ΔVx表示径向位移Δx对传感器输出电压的影响，ΔVy表示径向位移Δy对传感器输出电压的影响，ΔVz表示轴向位移Δz对传感器输出电压的影响。由于Δx、Δy、Δz相对于转子尺寸来说，均为小量，故径向位移Δx只影响沿x方向布置的传感器2、4的输出电压，径向位移Δy只影响沿y方向布置的传感器1、3的输出电压。

[0048] 由式（1）可知，将4个霍尔传感器的输出电压相加后，总输出电压V只与轴向位移Δz有关，与径向位移Δx和Δy无关。可见利用这种布置方式，通过简单的解耦运算就可以消除径向位移对霍尔传感器4输出结果的影响，最终送到电磁轴承控制器10的位移信号只包含了轴向位移信号，并且放大了霍尔传感器4的输出电压，解决了单个霍尔传感器输出电压小的弊端。

[0049] 轴向位移控制系统包括位移信号处理器9、电磁轴承控制器10和功率放大器11，位移信号处理器9将径向位移检测装置输出的径向位移信号进行放大并运算、消除径向位移对轴向位移检测的影响后输送给电磁轴承控制器10，电磁轴承控制器10通过控制策略运算将径向位移信号转换成转子3轴向位移电压控制信号，功率放大器11将转子3轴向位移电压控制信号转换成轴向单电磁轴承6电磁线圈中电流，用以产生所需要的电磁力。

[0050] 该人工心脏泵的转子3轴向位移测量装置的测量方法包括以下步骤：

[0051] 1）在转子3的圆周方向上均布四个径向位移检测装置，由该装置测量获得径向位移信号；

[0052] 2）将径向位移信号传递给位移信号处理器9，由该位移信号处理器9将径向位移信号进行放大并运算、消除径向位移对轴向位移检测的影响；

[0053] 3）将处理后的径向位移信号传递给电磁轴承控制器10，由电磁轴承控制器10过控制策略运算将径向位移信号转换成转子3轴向位移电压控制信号；

[0054] 4）将转子3轴向位移电压控制信号传递给功率放大器11，由功率放大器11将转子3轴向位移电压控制信号转换成轴向单电磁轴承6电磁线圈中电流用于控制转子3的轴向位移。

[0055] 当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。