本发明涉及一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统及应用，属于检测仪器技术领域。系统包括径向测试件、电涡流传感器、前置器和处理器，其中，电涡流传感器连接有前置器，前置器连接有处理器，前置器用于为电涡流传感器供电及检测解析电路，处理器用于处理电涡流传感器的测量结果。克服了现有技术中转子检测装置结构复杂、测量位置及转速检测精度差、分辨率低的技术问题。
1.一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统，其特征在于，包括径向测试件、电涡流传感器、前置器和处理器，其中，电涡流传感器连接有前置器，前置器连接有处理器，前置器用于为电涡流传感器供电及检测解析电路，处理器用于处理电涡流传感器的测量结果；
转子两端的悬浮电机壳体上分别采用差分结构设置有4个所述电涡流传感器，相对的两个所述电涡流传感器为一组，4个所述电涡流传感器平面内间隔为90°，两端电涡流传感器的轴向安装距离为L，两端对应方向电涡流传感器测出的位移差与轴向安装距离之比，即为转子在该方向偏转角度的正切值tanα，反正切计算得到转子的偏转角度α；
径向测试件包括环形圆柱体，环形圆柱体外侧对称凸起设置有圆弧段，圆弧段与环形圆柱体同心；
处理器包含差分电路、求和电路和脉冲计数器，用于处理电涡流传感器及对应前置器输出的电压信号；
求和电路消除转子偏心对转速检测高、低电压的影响，保证在检测方向的正交方向转子存在偏移时，代表检测方向位移的电压信号维持不变；
求和电路输出电压至脉冲计数器，脉冲计数器用于测速，根据单位时间内高电压脉冲的数量，得出当前电机转速。
2.如权利要求1所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统，其特征在于，径向测试件为导体材料，硬质航空铝。
3.如权利要求1所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统，其特征在于，电涡流传感器选用高频反射式电涡流传感器。
4.如权利要求1所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统，其特征在于，电涡流传感器通过圆环状壳体固定于悬浮电机外壳，电涡流传感器螺纹贯穿连接于圆环状壳体和悬浮电机外壳。
5.一种如权利要求4所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，其特征在于，操作步骤如下：(1)在壳体上采用差分结构布置4个电涡流传感器，相对的两个电涡流传感器为一组，4个电涡流传感器在平面内间隔90°，电涡流传感器的探头安装方向均指向转子中心轴线，用于检测径向测试件外表面的位移，径向测试件的位移即为转子位移；
(2)径向测试件采用过盈配合安装固定在转子轴上，使径向测试件随转子同轴一起转动；
(3)启动悬浮电机，电涡流传感器的探头采集所对方向的转子外表面信息，转子转动过程中，探头所对转子的外表面形状不断变化，探头采集到一系列高、低电压信号，将相对方向的电涡流传感器采集到的电压信号相加，即可得到幅值大小不变的电压信号，对该电压信号采用频率计数，即可得到转子转速。
6.如权利要求5所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，其特征在于，步骤(1)中，电涡流传感器安装时进行零位调节，悬浮电机加工装配后，静态时受转子重力作用，转子不在径向圆心位置处，通过调零工装件固定径向测试件，使径向测试件与转子同轴，电涡流传感器探头事先针对径向测试件的材料及形状进行标定，得到径向测试件位移和电压之间的比例系数，测量时根据处理器得到的电压信号值即可求出电涡流传感器所在方向的位移大小，根据位移大小，即可确定转子当前的悬浮位置；
然后通过螺纹调节电涡流传感器探头的初始位置，当前置器输出电压为零时，完成零位调节。
7.如权利要求6所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，其特征在于，调零工装件包括一端开口的中空圆柱体，中空圆柱体底部中心位置设置有圆柱，中空圆柱体内径与圆环状壳体外径相同，圆柱直径与转子轴径相同。
8.如权利要求6所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，其特征在于，步骤(1)中，在转子两端分别布置4个电涡流传感器，确定两端电涡流传感器的轴向安装距离L，两端对应方向电涡流传感器测出的位移差与轴向安装距离之比，即为转子在该方向偏转角度的正切值tanα，反正切计算即可得到转子的偏转角度α。
9.如权利要求8所述的悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，其特征在于，步骤(3)中，对于相对方向的两个探头，其探头方向位移是相反的，而正交方向所受的偏心影响是相同的，所以将正对方向两个探头采集得到的位移数据相减，即可消除正交方向偏心的共模干扰。
一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系
统及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统及应用，属于检测仪器技术领域。
背景技术
[0002] 悬浮电机具有无机械摩擦的优点，更利于实现高速、高效运行。主动悬浮式电机稳定可靠工作需要对转子径向悬浮位置和旋转速度进行实时检测和闭环控制(即使采用无速度传感的控制方法，其算法调试阶段仍需外部速度传感器辅助校验)。目前转子径向振动(位置)的检测通常采用电容式、电感式式和电涡流式传感器，且通常只检测其x或y单方向的振动(忽略其正交方向振动及位移)，而速度检测常采用编码器、旋转变压器、电涡流等方式，采用分立的传感器件分别检测悬浮位置和转速，为避免相互间的干扰，分立的传感器之间的安装尺寸需要增加，而这会导致电机轴向尺寸增大，降低其临界转速及高速下的稳定性。
[0003] 电涡流传感器具有测量信号强、动态响应范围宽、可靠性好，温度适应范围宽等优点，常用于平面及圆柱面非接触式位置的测量。采用电涡流传感器沿转子径向布置可直接检测转子径向位置振动，采用改造的阶梯齿轮盘套在转轴上与转轴一起转动后，可采用电涡流传感器检测转子转速。但目前尚未有同时实现径向位置和转速检测的方法，且对于悬浮电机，由于转子转轴悬浮(偏心)位置的不确定性，无法保证传感器探头始终正对被测转轴圆柱面外法线方向，因此与探头检测方向正交的方向的位移变化必然导致对检测方向产生较大的不确定检测误差，该误差将同时影响悬浮位置及转速的检测精度，尤其将二者一体化后，如下问题更明显：
[0004] 1、悬浮位置不确定的变化，导致与待测方向正交的方向位置偏心的存在，影响悬浮位置的检测精度；
[0005] 2、悬浮位置不确定的变化，导致与待测方向正交的方向位置偏心的存在，影响检测信号幅值的大小，导致转速检测后处理电路高、低电压脉冲计数误差，影响转速检测的精确度；
[0006] 3、高转速下，检测面尺寸及深度影响检测灵敏度，导致灵敏度差、分辨率低。
[0007] 针对以上问题，目前尚未有较好的解决方案。
发明内容
[0008] 针对现有技术的不足，本发明提供一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统，克服现有技术中转子检测装置结构复杂、测量位置及转速检测精度差、分辨率低的技术问题。
[0009] 本发明还提供上述悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用。本发明的技术方案如下：
[0010] 一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统，包括径向测试件、电涡流传感器、前置器和处理器，其中，电涡流传感器连接有前置器，前置器连接有处理器，前置器用于为电涡流传感器供电及检测解析电路，处理器用于处理电涡流传感器的测量结果，消除转子径向悬浮位置偏心对检测结果精度的影响。
[0011] 优选的，径向测试件包括环形圆柱体，环形圆柱体外侧对称凸起设置有圆弧段，圆弧段与环形圆柱体同心。
[0012] 进一步优选的，圆弧段设置有至少2段，段数越多，转子旋转一周得到的方波信号频率越高，测试灵敏度越高。为保证动平衡及提高分辨率，优选为2段。
[0013] 优选的，径向测试件为导体材料，硬质航空铝。
[0014] 优选的，电涡流传感器选用高频反射式电涡流传感器，量程及灵敏度可根据不同应用场合选择。
[0015] 优选的，电涡流传感器通过圆环状壳体固定于悬浮电机外壳，电涡流传感器螺纹贯穿连接于圆环状壳体和悬浮电机外壳。
[0016] 优选的，前置器包括振荡器、滤波器、转换器和稳压器，电涡流传感器均连接有前置器，并在使用前针对被测件材料和形状进行标定和线性补偿，前置器检测由于被测件位置变化引起的探头内线圈的等效电感变化，并将其转化为相应的电压量。该电压量分别与被测面和探头间的距离变化成比例。
[0017] 优选的，处理器包括差分电路、求和电路和脉冲计数器，用于处理电涡流传感器及对应前置器输出的电压信号；
[0018] 差分电路消除共模干扰信号，探头检测电压偏差的来源主要是由于探头未对正转子转轴轴线，即探头正交方向的位置偏心；而对于相对方向的两个探头，其正交方向偏心的大小是相同的，所以对探头测试该方向位移时输出电压的影响是相同的(即共模干扰)，采用差分电路的方式，将相对方向的两个探头采集到的代表该方向位移的电压信号进行相减，即可消除该部分误差影响，即共模干扰；
[0019] 求和电路消除转子偏心对转速检测高、低电压的影响，保证在检测方向的正交方向转子存在偏移时，代表检测方向位移的电压信号维持不变。
[0020] 求和电路输出电压至脉冲计数器，脉冲计数器用于测速，根据单位时间内高电压脉冲的数量(频率)，得出当前电机转速。
[0021] 上述悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，操作步骤如下：
[0022] (1)在壳体上采用差分结构布置4个电涡流传感器，相对的两个电涡流传感器为一组，4个电涡流传感器在平面内间隔90°，电涡流传感器的探头安装方向均指向转子中心线，用于检测径向测试件外表面的位移，径向测试件的位移即为转子位移；
[0023] (2)径向测试件采用过盈配合安装固定在转子轴上，使径向测试件随转子同轴一起转动；
[0024] (3)启动悬浮电机，电涡流传感器的探头采集所对方向的转子外表面信息，转子转动过程中，探头所对转子的外表面形状不断变化，探头采集到一系列高、低电压信号，而由于探头所对方向的转子位移不断变化，使得相对方向两个探头所测得的位移也是不断变化的，且无规律性(最大、最小值不断变化的方波，甚至不是方波)，导致无法直接进行转速检测(如图1所示，为被测方向和正交方向存在确定且固定大小的位移时，相对方向两个电涡流传感器所检测信号的变化情况)。而将相对方向的电涡流传感器采集到的电压信号相加，即可得到幅值大小不变的电压信号，对该电压信号采用频率计数，即可得到转子转速。
[0025] 优选的，步骤(1)中，电涡流传感器安装时进行零位调节，悬浮电机加工装配后，静态时受转子重力作用，转子不在径向圆心位置处，通过调零工装件固定径向测试件，使径向测试件与转子同轴，电涡流传感器探头事先针对径向测试件的材料及形状进行标定，得到径向测试件位移和电压之间的比例系数，测量时根据处理器得到的电压信号值即可求出电涡流传感器所在方向的位移大小，根据位移大小，即可确定转子当前的悬浮位置；
[0026] 然后通过螺纹调节电涡流传感器探头的初始位置，当前置器输出电压为零时，完成零位调节。同样方法完成其余电涡流传感器的零位调节。
[0027] 进一步优选的，调零工装件包括一端开口的中空圆柱体，中空圆柱体底部中心位置设置有圆柱，中空圆柱体内径与圆环状壳体外径相同，用于固定圆环状壳体，圆柱直径与转子轴径相同，使用时将径向测试件固定于圆柱，通过调零工装件保证径向测试件的中心位置与工作时的中心位置相同，以此来进行电涡流传感器的零位调节。
[0028] 优选的，步骤(1)中，在转子两端分别布置4个电涡流传感器，确定两端电涡流传感器的轴向安装距离L，两端对应方向电涡流传感器测出的位移差(y1‑y2)与轴向安装距离(L)之比，即为转子在该方向偏转角度的正切值tanα，反正切计算即可得到转子的偏转角度α。
[0029] 本发明的有益效果在于：
[0030] 1、本发明的径向测试件设计不影响原转子动平衡，同时保证单探头检测结果为占空比0.5的方波，为后续处理器实现径向悬浮位置及转速的检测提供便利和基础，克服了现有技术中转子检测装置结构复杂、测量位置及转速检测精度差、分辨率低的技术问题。
[0031] 2、本发明的四个电涡流传感器探头在同一平面内呈90°对称布置，避免了各探头之间的相互影响和干扰。
[0032] 3、本发明采用差分电路处理相对方向的电涡流传感器信号，消除正交方向偏心带来的共模干扰，提高径向悬浮位置检测精度和灵敏度。
[0033] 4、本发明采用求和电路处理相对方向的电涡流传感器信号，消除由于正交方向偏心带来的高、低电压不一，方波信号不明显的问题，提高转速检测精度和灵敏度。
[0034] 5、本发明的调零工装件，解决了传统悬浮电机初始零位难以调节的问题
附图说明
[0035] 图1是本发明初始位置及被测方向有位移时各部分输出电压图。
[0036] 图2是本发明检测系统原理图。
[0037] 图3是本发明的电涡流传感器位置布置图。
[0038] 图4是本发明的调零工装件结构图。
[0039] 图5是本发明前置器原理及信号流图。
[0040] 图6是本发明前置器内部振荡器+滤波器电路原理图。
[0041] 图7是本发明前置器内部整流转换器电路原理图。
[0042] 图8是本发明差分电路原理图。
[0043] 图9是本发明求和电路原理图。
[0044] 图10是本发明偏转角度计算原理图。
[0045] 其中：1、转子；2、径向测试件；3、电涡流传感器；4、前置器；5、处理器；6、探头；7、圆环状壳体；8、调零工装件；9、圆弧段。
具体实施方式
[0046] 下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0047] 实施例1：
[0048] 如图2‑3所示，本实施例提供一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统，包括径向测试件2、电涡流传感器3、前置器4和处理器5，其中，电涡流传感器3连接有前置器4，前置器4连接有处理器5，前置器4用于为电涡流传感器3供电及检测解析电路，处理器5用于处理电涡流传感器的测量结果，消除转子径向悬浮位置偏心对检测结果精度的影响。
[0049] 径向测试件2包括环形圆柱体，环形圆柱体外侧对称凸起设置有圆弧段9，圆弧段与环形圆柱体同心。
[0050] 圆弧段设置有至少2段，段数越多，转子旋转一周得到的方波信号频率越高，测试灵敏度越高。为保证动平衡及提高分辨率，优选为2段。
[0051] 径向测试件2为导体材料，硬质航空铝。
[0052] 电涡流传感器3选用高频反射式电涡流传感器，量程及灵敏度可根据不同应用场合选择。
[0053] 电涡流传感器3通过圆环状壳体7固定于悬浮电机外壳，电涡流传感器螺纹贯穿连接于圆环状壳体和悬浮电机外壳。
[0054] 前置器4包括振荡器、滤波器、转换器和稳压器，前置器为现有装置，结构如图5所示，电路连接图如图6‑7所示，电涡流传感器均连接有前置器，并在使用前针对被测件材料和形状进行标定和线性补偿，前置器检测由于被测件位置变化引起的探头内线圈的等效电感变化，并将其转化为相应的电压量。该电压量分别与被测面和探头间的距离变化成比例。
[0055] 处理器5包括差分电路、求和电路和脉冲计数器，用于处理电涡流传感器及对应前置器输出的电压信号，差分电路原理图如图8所示，求和电路原理图如图9所示；
[0056] 差分电路消除共模干扰信号，探头检测电压偏差的来源主要是由于探头未对正转子转轴轴线，即探头正交方向的位置偏心；而对于相对方向的两个探头，其正交方向偏心的大小是相同的，所以对探头测试该方向位移时输出电压的影响是相同的(即共模干扰)，采用差分电路的方式，将相对方向的两个探头采集到的代表该方向位移的电压信号进行相减，即可消除该部分误差影响，即共模干扰；
[0057] 转子悬浮位置具有不确定性，无法保证探头始终正对被测转子外法线方向，而受转子偏心的影响，探头所测得的电压信号和探头正对方向转子外表面的位移不是正对情况下的线性关系，受偏心尺寸的影响，其偏置情况不断变化，如图1中所示，导致电涡流传感器直接检测径向位移时，存在较大误差。对于相对方向的两个探头，其探头方向位移是相反的，而正交方向所受的偏心影响是相同的，所以将正对方向两个探头采集得到的电压数据相减，即可消除正交方向偏心的共模干扰，同时提高了相对方向位移检测的灵敏度。
[0058] 求和电路消除转子偏心对转速检测高、低电压的影响，保证在检测方向的正交方向转子存在偏移时，代表检测方向位移的电压信号维持不变。
[0059] 求和电路输出电压至脉冲计数器，脉冲计数器用于测速，根据单位时间内高电压脉冲的数量(频率)，得出当前电机转速。如每秒内测得高电压脉冲数为N，则转速n＝30N rpm。
[0060] 上述悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，操作步骤如下：
[0061] (1)在壳体上采用差分结构布置4个电涡流传感器，相对的两个电涡流传感器为一组，4个电涡流传感器在平面内间隔90°，电涡流传感器的探头6安装方向均指向转子1中心线，用于检测径向测试件外表面的位移，径向测试件的位移即为转子位移；
[0062] (2)径向测试件采用过盈配合安装固定在转子轴上，使径向测试件随转子同轴一起转动；
[0063] (3)启动悬浮电机，电涡流传感器的探头采集所对方向的转子外表面信息，转子转动过程中，探头所对转子的外表面形状不断变化，探头采集到一系列高、低电压信号，而由于探头所对方向的转子位移不断变化，使得相对方向两个探头所测得的位移也是不断变化的，且无规律性(最大、最小值不断变化的方波，甚至不是方波)，导致无法直接进行转速检测(如图1所示，为被测方向和正交方向存在确定且固定大小的位移时，相对方向两个电涡流传感器所检测信号的变化情况)。而将相对方向的电涡流传感器采集到的电压信号相加，即可得到幅值大小不变的电压信号，对该电压信号采用频率计数，即可得到转子转速。
[0064] 步骤(1)中，电涡流传感器安装时进行零位调节，悬浮电机加工装配后，静态时受转子重力作用，转子不在径向圆心位置处，通过调零工装件8固定径向测试件，使径向测试件与转子同轴，电涡流传感器探头事先针对径向测试件的材料及形状进行标定，得到径向测试件位移和电压之间的比例系数，测量时根据处理器得到的电压信号值即可求出电涡流传感器所在方向的位移大小，根据位移大小，即可确定转子当前的悬浮位置；
[0065] 然后通过螺纹调节电涡流传感器探头的初始位置，当前置器输出电压为零时，完成零位调节。同样方法完成其余电涡流传感器的零位调节。
[0066] 实施例2：
[0067] 一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，操作步骤如实施例1所述，不同之处在于，调零工装件8包括一端开口的中空圆柱体，中空圆柱体底部中心位置设置有圆柱，如图4所示，中空圆柱体内径与圆环状壳体外径相同，用于固定圆环状壳体，圆柱直径与转子轴径相同，使用时将径向测试件固定于圆柱，通过调零工装件保证径向测试件的中心位置与工作时的中心位置相同，以此来进行电涡流传感器的零位调节。
[0068] 实施例3：
[0069] 一种悬浮电机转子悬浮位置、偏转角度及转速一体化检测系统的应用，操作步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(1)中，在转子两端分别布置4个电涡流传感器，确定两端电涡流传感器的轴向安装距离L，两端对应方向电涡流传感器测出的位移差(y1‑y2)与轴向安装距离(L)之比，即为转子在该方向偏转角度的正切值tanα，反正切计算即可得到转子的偏转角度α，计算原理图如图10所示。
