题目：磁悬浮飞轮用电涡流位移传感器特性分析与研究

飞轮是卫星、载人飞船以及空间站等航天器实现姿态控制的一种关键执行机构，其高速转子的支承方式是决定飞轮性能的重要因素。由于磁轴承振动小、无摩擦从而实现了飞轮的高精度控制，因此成为当前飞轮研究的重要方向之一。位移传感器是磁悬浮飞轮的“眼睛”，它用于检测电磁铁与转子间的气隙大小，其检测精度直接影响磁飞轮转子的高精度控制。本文结合国家民用航天科研专项“卫星新型高精度长寿命磁悬浮反作用飞轮工程化技术与应用研究”项目，在确定电涡流位移传感器设计方案的基础上，针对磁悬浮系统的技术指标要求，分别对恒频调幅和变频调幅两种电涡流位移传感器进行了静态特性和动态特性的分析和电路优化设计。本文的主要研究内容包括：（1）在介绍磁悬浮飞轮系统和电涡流位移传感器基本工作原理的基础上，提出了磁悬浮飞轮系统对电涡流位移传感器的特殊要求。从电涡流传感器的电磁场机理出发，分析了传感器探头线圈的工作特性、涡流损耗及品质因数等固有特性，并提出了探头线圈的几何参数是影响传感器工作特性的重要因素。（2）通过对检测电路进行模块化分析和电路调试，分别对两种传感器的静态工作特性进行了研究，指出各个模块的元器件参数对静态特性有很大影响。根据系统要求，利用所设计的静态特性校准装置对传感器进行静态特性测试，得到传感器的线性输出范围为0.45mm~0.95mm，线性度为0.48%，灵敏度为10×103V/m，满足了磁悬浮系统静态工作要求。（3）通过理论分析，指出对恒频调幅和变频调幅传感器动态工作特性影响最大的因素是LC 振荡电路和检波电路，根据电路参数确定的系统传递函数进行了Matlab 仿真，并用于实际电路的优化。利用简易实用的动态特性校准装置进行测试，测试结果表明，传感器在2.6kHz 频率范围内幅值基本无衰减，可以满足磁悬浮系统的要求。（4）根据磁悬浮飞轮系统中位移传感器的安装位置，对由检测中心与转子几何中心不重合引起的测量误差进行了数学分析，径向探头采用同向差动测量、轴向探头采用均值差动测量可以在很大程度上补偿这些测量误差，从而提高了转子的位移检测精度。在磁悬浮飞轮的应用中，转子转速达到5000r/min，悬浮精度小于20×10- 6m。