專利名稱：磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到磁懸浮裝置領(lǐng)域，特指一種適用于磁懸浮裝置中對(duì)懸浮物位置進(jìn)行檢測(cè)的方法及裝置。
背景技術(shù)：
磁懸浮裝置從懸浮原理上可分為電磁吸力型懸浮裝置和永磁斥力型懸浮裝置。電磁吸力型懸浮裝置通過可控電磁鐵吸引鐵磁性懸浮物，使之無接觸地懸浮在空中。永磁斥力型懸浮裝置分別在底座和懸浮物上安裝有磁性相反的永久磁鐵，利用永久磁鐵“同性相斥”的原理實(shí)現(xiàn)懸浮。在上述兩種類型的磁懸浮裝置中，都需要準(zhǔn)確獲知懸浮物的位置。為此，通常采用位置傳感器進(jìn)行測(cè)量，如電渦流傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器等。在永磁斥力型懸浮裝置中，由于懸浮物內(nèi)含有永磁鐵，因此使用霍爾傳感器通過測(cè)量懸浮磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化來判斷其位置，是最簡(jiǎn)單直接的方法，其被廣泛采用。但是， 由于該裝置中用于實(shí)現(xiàn)懸浮控制的電磁鐵會(huì)產(chǎn)生可變電磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)與懸浮永磁鐵的磁場(chǎng)疊加，進(jìn)而干擾位置測(cè)量，使得測(cè)量的準(zhǔn)確性和一致性下降，嚴(yán)重影響到懸浮的穩(wěn)定性。為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中常采用信號(hào)處理的方法，即通過檢測(cè)電磁鐵的激勵(lì)電流，得出其激發(fā)磁場(chǎng)的強(qiáng)度的估計(jì)值；然后在傳感器的檢測(cè)值中減去上述估計(jì)值，得到真值。該方法在大型系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，且效果良好。但是，該方法的準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴于估計(jì)算法，因此對(duì)系統(tǒng)的建模精度要求非常高；另外，由于要檢測(cè)電流，需要增加額外的傳感器，因此系統(tǒng)復(fù)雜，在對(duì)空間和成本敏感的場(chǎng)合難以應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉、工作穩(wěn)定可靠、能夠消除外部疊加磁場(chǎng)的影響、提高檢測(cè)精度和控制精度的磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)方法及裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)方法，在懸浮物每一個(gè)可控水平移動(dòng)方向上設(shè)置一傳感器組，所述傳感器組包括以懸浮裝置的中心呈對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)檢測(cè)一個(gè)用來控制懸浮物水平移動(dòng)方向的電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及懸浮物產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度；將同組中兩個(gè)傳感器的檢測(cè)值相減得到對(duì)消后的差值，根據(jù)所述差值判斷得到懸浮物的位置。作為本發(fā)明檢測(cè)方法的進(jìn)一步改進(jìn) 所述傳感器組為兩個(gè)并呈正交方式布置。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)裝置，包括與懸浮裝置中懸浮物可控水平方向數(shù)量對(duì)應(yīng)的傳感器組以及處理單元，所述每個(gè)傳感器組包括沿著同一個(gè)水平方向布置且以懸浮裝置的中心對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器，所述每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)檢測(cè)一個(gè)用來控制懸浮物水平移動(dòng)方向的電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及懸浮物產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度，所述處理單元根據(jù)同組中兩個(gè)傳感器的檢測(cè)值相減得到對(duì)消后的差值判斷得到懸浮物的位置。作為本發(fā)明檢測(cè)裝置的進(jìn)一步改進(jìn) 所述處理單元為一對(duì)消處理電路。所述對(duì)消處理電路包括與兩個(gè)傳感器相連的差分運(yùn)算器以及與差分運(yùn)算器輸出端相連的比例放大器。所述傳感器組為兩個(gè)并呈正交方式布置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高；通過在空間上對(duì)稱布置傳感器，就能消除電磁鐵磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分量(干擾分量)，并且保留永磁鐵磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分量(有效分量)，從而消除外部疊加磁場(chǎng)的影響，解決了外磁場(chǎng)干擾的問題，測(cè)量的魯棒性好、位置檢測(cè)精度高，進(jìn)而提高了磁懸浮裝置的控制精度，整個(gè)裝置工作更加穩(wěn)定可靠。


圖1是具體應(yīng)用實(shí)例中磁懸浮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是電磁鐵的布置示意圖。圖4是傳感器的布置示意圖。圖5是傳感器與電磁鐵相對(duì)布置位置的示意圖。圖6是本發(fā)明具體實(shí)例中檢測(cè)原理的分析示意圖。圖7是本發(fā)明具體實(shí)例中處理單元的電路示意圖。圖例說明
1、懸浮物；2、懸浮底座；301、環(huán)形永磁鐵；311、第一電磁鐵；312、第二電磁鐵；313、第三電磁鐵；314、第四電磁鐵；401、第一傳感器；402、第二傳感器；403、第三傳感器；404、第四傳感器。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明主要應(yīng)用于如圖1所示的磁懸浮裝置中，其中磁懸浮裝置一般由懸浮物1 和懸浮底座2兩部分組成，懸浮物1包括永磁鐵以及包裹在永磁鐵外側(cè)的外殼，懸浮底座2 則包括機(jī)芯組件、電路板以及外殼。本實(shí)施例中，如圖2和圖3所示，機(jī)芯組件包括環(huán)形永磁鐵301、第一電磁鐵311、 第二電磁鐵312、第三電磁鐵313、第四電磁鐵314以及本發(fā)明的檢測(cè)裝置，四只電磁鐵位于環(huán)形永磁鐵301的環(huán)內(nèi)，且分布在相同的圓周上。第一電磁鐵311與第三電磁鐵313為一組，第二電磁鐵312與第四電磁鐵314為一組，每組電磁鐵用來控制懸浮物1在一個(gè)水平方向的移動(dòng)。兩組電磁鐵的中心連線呈90度，即呈正交布置。本發(fā)明磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)方法，就是在懸浮物每一個(gè)可控水平移動(dòng)方向上設(shè)置一傳感器組，傳感器組包括以懸浮裝置的中心呈對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)檢測(cè)一個(gè)用來控制懸浮物水平移動(dòng)方向的電磁鐵場(chǎng)強(qiáng)以及懸浮物場(chǎng)強(qiáng)；將同組中兩個(gè)傳感器的檢測(cè)值相減得到對(duì)消后的差值，根據(jù)所述差值判斷得到懸浮物的位置。如圖2、圖4和圖5所示，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)裝置，它包括與懸浮裝置中懸浮物可控水平方向數(shù)量對(duì)應(yīng)的傳感器組以及處理單元，每個(gè)傳感器組包括沿著同一個(gè)水平方向布置且以懸浮裝置的中心對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)檢測(cè)一個(gè)用來控制懸浮物水平移動(dòng)方向的電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及懸浮物產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度，這樣每組傳感器的兩個(gè)測(cè)量結(jié)果中包含的電磁鐵磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分量 (干擾分量)相等、永磁鐵磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分量(有效分量)等值反向。處理單元根據(jù)同組中兩個(gè)傳感器的檢測(cè)值相減得到對(duì)消后的差值判斷得到懸浮物的位置。本發(fā)明采用雙傳感器對(duì)消的方法實(shí)現(xiàn)，即每對(duì)信號(hào)用一套電路處理，通過對(duì)兩個(gè)信號(hào)做減法，就能消除電磁鐵磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分量(干擾分量)，并且保留永磁鐵磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分量(有效分量)，從而消除外部疊加磁場(chǎng)的影響，巧妙地解決了外磁場(chǎng)干擾的問題。如圖4所示，本實(shí)施例中包括兩組傳感器組，即第一傳感器401和第三傳感器403、 第二傳感器402和第四傳感器404，傳感器均可采用霍爾傳感器，它負(fù)責(zé)將待測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。傳感器組呈正交方式布置。即，第一傳感器401和第三傳感器403布置于第一電磁鐵311和第三電磁鐵313連線BB’的水平方向上，第二傳感器402和第四傳感器404布置于第二電磁鐵312與第四電磁鐵314連線AA’的水平方向上。第一傳感器401 和第三傳感器403用來檢測(cè)懸浮物在AA’方向上的水平移動(dòng)，第二傳感器402和第四傳感器404用來檢測(cè)懸浮物在BB’方向上的水平移動(dòng)。這兩個(gè)方向的測(cè)量原理完全相同，下面以AA’方向?yàn)槔?，詳?xì)描述本發(fā)明的檢測(cè)方法。參見圖6，假設(shè)當(dāng)懸浮物1在如圖所示位置時(shí)，第一電磁鐵311和第三電磁鐵313 繞組上通過的電流為I。則懸浮物1內(nèi)永磁鐵激發(fā)的磁場(chǎng)方向?yàn)镻，電磁鐵激發(fā)的磁場(chǎng)方向?yàn)镼。第一傳感器401、第三傳感器403將同時(shí)測(cè)量出這兩個(gè)磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)，即
第一傳感器401輸出為U401 = Upl + Uql(1)
第三傳感器403輸出為U403 = Up2 + Uq2(2)
其中Upl和Up2的大小與懸浮物1中心偏離傳感器中心的距離成比例。因此 Upl = kl * xl(3)
Up2 = k2 * x2(4)
由于兩個(gè)傳感器特性相同，因此可記
kl = k2 = k(5)
其中k為一個(gè)常系數(shù)，其與傳感器布置的位置相關(guān)。 根據(jù)位置的對(duì)稱性，懸浮物1在水平方向上離懸浮裝置的中心(傳感器組件中心) 的距離為X，X即為本發(fā)明檢測(cè)方法所要確定的未知量，也就是懸浮物1的位置。第一電磁鐵311和第三電磁鐵313中心距離為D，則有
xl = (D/2) + χ(6)
x2 = (D/2) - χ(7) 將(5) (7)代入(3) (4)可得
Upl = k * (D/2) + k * χ(8)
Up2 = k * (D/2) - k * χ(9)
再考慮Uql和Uq2。由于電磁鐵激發(fā)磁場(chǎng)在垂直于傳感器表面的方向上近似為均勻磁場(chǎng)，因此可記為
Uql = Uq2 = Uq(10)
將(8) (10)代入(1) (2)可得
U401 = k * (D/2) + k * χ + Uq(11)
U403 = k * (D/2) - k * χ + Uq(12)
用式(11)減去式(12)可得
U401-U403 = 2 * k * χ(*)
這就是說，只需將第一傳感器401與第三傳感器403的輸出值相減，即可得到一個(gè)與懸浮物1位置χ成正比的信號(hào)。據(jù)此即可檢測(cè)出懸浮物1的位置。參見圖7，本實(shí)施例中，處理單元為一對(duì)消處理電路。對(duì)消處理電路包括與兩個(gè)傳感器相連的差分運(yùn)算器(運(yùn)放Ul)以及與差分運(yùn)算器輸出端相連的比例放大器(運(yùn)放U2)， 差分運(yùn)算器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路輸入信號(hào)的減法處理，比例放大器可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。 經(jīng)過Ul處理后，即可得到(*)式所需的位置檢測(cè)信號(hào)，但是該信號(hào)非常微弱。因此利用U2 對(duì)其放大，以便于后續(xù)電路處理。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)方法，其特征在于在懸浮物每一個(gè)可控水平移動(dòng)方向上設(shè)置一傳感器組，所述傳感器組包括以懸浮裝置的中心呈對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)檢測(cè)一個(gè)用來控制懸浮物水平移動(dòng)方向的電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及懸浮物產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度；將同組中兩個(gè)傳感器的檢測(cè)值相減得到對(duì)消后的差值，根據(jù)所述差值判斷得到懸浮物的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)方法，其特征在于所述傳感器組為兩個(gè)并呈正交方式布置。
3.一種磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)裝置，其特征在于包括與懸浮裝置中懸浮物可控水平方向數(shù)量對(duì)應(yīng)的傳感器組以及處理單元，所述每個(gè)傳感器組包括沿著同一個(gè)水平方向布置且以懸浮裝置的中心對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器，所述每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)檢測(cè)一個(gè)用來控制懸浮物水平移動(dòng)方向的電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及懸浮物產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度，所述處理單元根據(jù)同組中兩個(gè)傳感器的檢測(cè)值相減得到對(duì)消后的差值判斷得到懸浮物的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)裝置，其特征在于所述處理單元為一對(duì)消處理電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)裝置，其特征在于所述對(duì)消處理電路包括與兩個(gè)傳感器相連的差分運(yùn)算器以及與差分運(yùn)算器輸出端相連的比例放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)裝置，其特征在于 所述傳感器組為兩個(gè)并呈正交方式布置。
全文摘要
一種磁懸浮裝置中懸浮物位置的檢測(cè)方法及裝置，該方法在懸浮物每一個(gè)可控水平移動(dòng)方向上設(shè)置一傳感器組，傳感器組包括以懸浮裝置的中心呈對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)檢測(cè)一個(gè)用來控制懸浮物水平移動(dòng)方向的電磁鐵場(chǎng)強(qiáng)以及懸浮物場(chǎng)強(qiáng)；將同組中兩個(gè)傳感器的檢測(cè)值相減得到對(duì)消后的差值，根據(jù)差值判斷得到懸浮物的位置。該裝置包括與懸浮裝置中懸浮物可控水平方向數(shù)量對(duì)應(yīng)的傳感器組以及處理單元，每個(gè)傳感器組包括沿著同一個(gè)水平方向布置且以懸浮裝置的中心對(duì)稱布置的兩個(gè)傳感器。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉、工作穩(wěn)定可靠、能夠消除外部疊加磁場(chǎng)的影響、提高檢測(cè)精度和控制精度等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D3/036GK102445220SQ20111029245
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者劉翔, 張鼎, 李志成, 黃從爭(zhēng), 龍功運(yùn), 龍坤 申請(qǐng)人:中磁力(深圳)科技有限公司