磁悬浮轴承磁场分布的测量

　　0　引　言

　　磁悬浮轴承具有无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等优点,所以其发展和研究一直受到国内外工业和学术界的广泛关注[1、2]。磁悬浮轴承的磁特性及其充磁后的磁场分布均匀性直接影响轴承的性能,而了解其充磁效果最直观的方法,就是对其产生的磁场分布进行测量。近年来,针对磁悬浮轴承的磁测问题,国内外的研究人员开展了相应的研究工作[1-7]。但是这些研究中有些只是对磁悬浮轴承磁场的均匀性进行测试,有些只是进行理论上的分析和仿真,而对磁悬浮轴承的磁场分布却很少有研究。

　　本文提出以霍尔传感器和单片机PIC16F877A组成前端数据采集系统,给出了用3个一维传感器测量磁场在3个方向上分布的方法,结合计算机强大功能,设计了磁悬浮轴承磁场分布的测量系统。

　　1　总体方案

　　系统要实现磁场在3个方向上的分布测量,首先要对该磁场信号进行3个方向上采集、调理,然后通过单片机处理,最后由计算机显示三维分布图,总体框图如图1所示。系统以PIC16F877A单片机为核心,选用3个霍尔传感器分别用来测量磁场在X,Y,Z方向上的分量,将霍尔传感器输出的载有磁场信息的电压信号经信号调理电路处理后,利用单片机内部的模数转换器进行A/D转换,经串口传送到上位机作进一步的处理,上位机软件采用LabVIEW图形化语言编写。

　　2　硬件设计

　　2.1　霍尔传感器

　　本文选用了UGN3503集成线性霍尔传感器,其具有高达13mV/mT的磁场灵敏度、+/-90mT的线性范围和23kHz带宽,在-20~+85℃的温度范围内具有良好的线性度[3]。本文选用3个相同的传感器,互成90°排列,令这3个霍尔元件的主平面法线分别为X,Y,Z轴,则每个霍尔传感器分别测得空间某点磁场强度在X,Y,Z方向上的分量[3、8]。

　　2.2　信号调理电路

　　信号调理电路主要是完成信号放大和滤波。由于传感器输出微弱的毫伏级信号直接用A/D转换,精度不高,必须加前置放大器加以放大并经过低通滤波去除噪声干扰,以提高转换精度。这部分电路采用美国模拟器件公司的高精度集成仪器放大器AD626,它集成差分输入仪器和低通滤波器,可以方便的对采集到的信号进行放大和滤波。

　　2.3　数据采集

　　系统选用了Microchip公司的PIC16F877A单片机[9],采用PIC内部10位ADC,把经过调理后的模拟信号转换为数字信号。ADC的参考电压使用外部基准源以提高转换精度,经调理电路后的模拟信号通过模拟电压输入引脚RA端口同单片机内部的模数转换单元相连,转换结果由RC6(TXD)输出。

　　2.4　通信接口

　　上下位机通过RS-232串口接收或发送数据和指令。PC机串口的RS-232电平和单片机输出的TTL电平不一致,故需要加入电平转换电路,文中采用MAX232芯片,它的输入和输出引脚直接与PIC单片机USART模块全双工异步发送接收端,即RC6和RC7相连,这样可实现上位机与单片机全双工异步通信。上位机使用VISA库函数中的串口通讯函数实现与下位机的串口通信,VISA是应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口。