一种基于悬丝法的螺线管线圈的磁轴测量系统的制作方法

本发明涉及螺线管线圈的磁轴测量领域，具体地，涉及一种基于悬丝法的螺线管线圈的磁轴测量系统。

背景技术：

用悬丝法进行螺线管线圈的磁轴测量是目前非常通用的一种磁轴测量方法，其中比较关键的测量部分是对细小悬丝振动位置的非接触测量。悬丝是直径约0.1mm左右水平放置的金属丝，并穿过螺线管线圈中间，两端由重物牵引绷直，在不进行测量时是静止的。当需要测量时，其上需要通电，并且螺线管线圈也要通电，这样螺线管中间会产生轴向磁场。如果悬丝没有处于磁轴上，必然会因为横向磁场分量的作用导致悬丝受到一定的横向力的作用而振动起来，振动的幅度变化量及形状等与磁轴的大小(即磁轴偏移与倾角)有关。如果能够测量出悬丝的振动情况，就可以计算出磁轴的大小。

在基于悬丝法的磁轴测量系统中，悬丝的振动是采用光电开关类型的探测器进行探测的。探测器是由相对放置的一对很小的发光头及光接收头组成，发光头发射光线，接收头接收光线并在其中产生对应的光电流，光电流的大小与接收到的光线多少相关；将悬丝置于发光头与接收头中间，悬丝会阻挡发光头所发射的光线进入接收头。当悬丝振动时，其阻挡的光线部分发生变化，导致接收头获得的光线也产生变化，并在其中产生变化的光电流，对应悬丝的振动幅度；因此，探测到光电流的变化也就探测到悬丝的振动情况。但是，探测器的工作电流一般在数毫安左右，而可以变化的光电流约在数微安左右；在目前的悬丝振动测量中，采用的方法是先使用一个电阻来将探测器的工作电流与信号电流一起转化为电压信号，由于其中的直流信号水平较高，就必须再使用一个高倍数(50倍到100倍)的隔直交流放大器来对其中的微小变化的电压信号进行放大以获得测量数据的。在这个测量过程中，为了获得微小信号变化而采用了交流隔直放大器，因此，该测量系统不能获得探测器的直流工作信息，实际上也就不能获得悬丝静止状态的位置信息；一般而言，需要悬丝处于探测器的中间位置才好获取到比较好的测量信号，为了将悬丝位置调节到探测器的中间位置，往往使用非常昂贵的激光跟踪仪来完成这项调节工作，并且因为对准精度限制的原因，也仍然存在不能非常精确地对准的问题，因此在一定程度上对悬丝的振动探测会产生影响。另一方面，由于悬丝上施加的脉冲驱动电流的频率较低，一般在20hz左右，为了尽量获得振动中的低频信号，采用的隔直电容器的容量是很大的，达到约1000μf以上，这可能给信号耦合带来一定问题。在这样的测量系统中，获得的磁轴测量信号与倾斜测量信号始终存在一定的耦合现象，不是很好地可以分离的，对最终的磁轴参数产生不良影响，不能更进一步地提高磁轴测量的精度。由于悬丝振动的位置测量系统中均普遍地采用了基于单纯信号放大的原理，无论具体采用何种测量线路，但从未脱离过这一原理，导致测量系统的安装与调试存在一定的不便性及不准确性，性能不足也导致磁轴测量信号中的偏移与倾斜信号始终耦合在一起；同时由于磁轴的有效测量信号是叠加在大幅度的振动信号之上的一个较小幅度的信号，采用上述测量原理的线路是无法获得足够幅度的有效测量信号的即有效测量信号幅度较小，为后继的测量信号处理带来一定的困难，对测量精度造成较严重的影响。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于悬丝法的螺线管线圈的磁轴测量系统，提高测量系统抵抗外界干扰信号影响的能力。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于悬丝法的螺线管线圈的磁轴测量系统，所述系统包括：

穿过待测螺线管线圈的金属悬丝，金属悬丝两端均绕过定位滑轮后与牵引重物连接；金属悬丝分别穿过两个互相垂直安装的水平方向光电探测器中部、竖直方向光电探测器中部；金属悬丝分别穿过两个互相垂直安装的亥姆霍兹线圈中部；其中，光电探测器的发光头均连接有一驱动线路，光电探测器的接收头均连接有一信号检测线路；金属悬丝与待测螺线管线圈均分别连接有一驱动电源；其中，光电探测器发光头的驱动线路采用恒流电流驱动。

优选的，光电探测器发光头的驱动线路采用恒流电流驱动，具体为：稳压器电压输入端与电流源连接，稳压器电压输出端与第一电阻正极连接，第一电阻负极与光电探测器的发光头连接，稳压器电压调节端与第一电阻的负极连接。

优选的，信号检测线路包括：第一运算放大器、第一电流吸收支路、取样电阻、滤波器；光电探测器接收头与第一运算放大器的负输入端连接，第一运算放大器的负输入端为信号汇流的节点；第一运算放大器的正输入端接地，第一运算放大器的输出端与滤波器连接，滤波器的输出端为信号检测线路输出端；取样电阻的两端分别与信号汇流的节点和第一运算放大器的输出端连接；第一电流吸收支路与信号汇流的节点连接。

优选的，所述系统中每个光电探测器均对应设有一个补偿光电探测器，补偿光电探测器与其对应的光电探测器的工作环境相同，补偿光电探测器的接收头与对应光电探测器信号检测线路的信号汇流节点连接。

优选的，所述系统还包括数据采集器，数据采集器与信号检测线路的输出端连接。

优选的，所述数据采集器包括：差分运算放大器、ad转换器、da转换器；差分运算放大器的正输入端与信号检测线路的输出端连接，差分运算放大器的输出端与ad转换器的输出端连接，ad转换器的输出端与数据采集器的内存连接，数据采集器的内存与da转换器的输入端连接，da转换器的输出端与差分运算放大器的负输入端连接。

优选的，所述系统通过调节光电探测器的位置来使金属悬丝处于光电探测器中间位置。

优选的，光电探测器包括发光头和接收头，金属悬丝位于发光头与接收头中间。

优选的，所述系统在测量时金属悬丝处于紧绷状态。

优选的，所述线圈为亥姆霍兹线圈。

本发明阐述的螺线管线圈的磁轴测量信号处理系统包括了光电探测器的恒流与恒压驱动、一种在较高信号水平偏置下可以完成工作点偏置电流抵消的关键线路、一种可以消除探测器漂移性能的补偿线路、设置悬丝静态位置指示读数装置等。

本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：在螺线管线圈的磁轴测量系统中，采用一种光电开关型的光电探测器对悬丝的振动进行测量。首先，采用一种恒流驱动线路对光电探测器的发光头进行供电，以确保发光的恒定不变，减少供电线路波动对测量信号的影响。其次，针对接收头的驱动问题，同样采用恒压工作电压的方式进行供电以降低工作点电压的变化对测量微小信号的影响；一方面采用恒压电源进行供电，但并不表示接收头的工作电压就是恒压，还需要对接收头的另一端进行处理；在此，利用运算放大器输入端的虚地概念，通过将接收头的输出端接入运算放大器的负输入端并通过放大器正输入端接地的方式而达到将探测器接收头以虚地形式接地的目的，从而在接收头上获得真正的恒压驱动，减少其电压变化对信号电流的影响。在这种信号测量形式中，直接探测的是电流信号而不再是电压信号。但是，探测器静态工作电流约在数毫安级别，而有效信号电流约在数微安级别，相差约1000倍，如果只采用简单的放大电路，则信号处理会存在难以克服的问题。因此，需要将探测器静态工作电流抵消，只提取其产生的信号电流来用于信号的处理。由于运算放大器的负输入端是一个虚地结构，将其作为一种电流汇流的节点，让各种电流在此流进与流出，并不影响电路的工作参数；可以在其上增加一个电流吸收的支路，从而将探测器的静态工作电流吸收到其它地方去；当吸收电流与静态工作电流相等时，即使在这个节点上还有其它支路，其上的电流也为零。如果探测器在光照下产生了信号电流的变化(如悬丝振动产生)而导致工作电流变化，则在这个节点上进出的电流将会发生变化，如果有其它电流进出的支路，则这个变化的电流将从该支路进出，从而只在其上产生与信号变化相关的电信号，避开了较高的直流电流(静态工作电流)产生的严重影响，起到了微小信号电流的提取与单独处理的作用。再通过一个阻值较大(如100千欧级)的电阻就可以将微安级的电流转换为伏级的电压信号，从而便于后继信号处理系统的处理，甚至可以不用放大而直接用于数模转换以获取信号数值用于计算处理；改变转换电阻的阻值，也不会改变其它处理部分的电路参数，非常适合于不同带宽的信号处理。在这样的信号测量系统中，由于探测到的相当于是悬丝相对于探测器的实际位置信号(可能有一定的偏差，但可以形成对应关系！)，因此，它可以获得悬丝的静态位置的测量信号用于判断悬丝的位置，同时起到了悬丝静态位置的调节功能，避免使用其它价格昂贵、高精度的仪器来对悬丝位置进行测量，可以大幅度提高调试的效率。进一步的电流消除线路原理还可以增加一个探测器漂移(时漂与温漂)的补偿线路部分：在电流汇流节点处，增加一路与探测器处于相同环境里的测量支路但没有悬丝穿过其中间位置，并且工作电流处于流出状态，以抵消悬丝实际测量支路的静态工作电流；由于探测器静态工作电流可能存在一定的差异而不能完全抵消掉，故可以在节点处再增加一路方向可调的恒流源支路以抵消这部分未能完全抵消的电流。这样的探测结构具有一定的漂移性能的补偿与抵消作用，从而可以提高抑制漂移对测量的影响能力，也能在一定程度上提高测量的精度。

本申请采用了一种可以消除高偏置水平的信号处理线路原理，能够单纯地对悬丝振动时产生的微小信号电流进行变换处理，无需采用高放大倍数的放大器来对测量信号进行放大，消除了原线路工作点的变化与信号电流变化耦合在一起对测量信号产生影响的关键问题；同时，为了提高测量系统抵抗外界干扰信号影响的能力，采用了高精度的恒流驱动的形式对探测器进行驱动，另一方面，为了降低探测器工作点变化对输出信号电流的影响，采用了虚拟地的接入方式对探测器的输出端进行驱动与信号提取，在确保探测器工作点不变的情况下获得比较纯粹的悬丝振动位置信号用于螺线管线圈的磁轴信号处理，在很大程度上消除了原来测量信号中的低频基线倾斜及起伏的影响，使磁轴测量信号中的偏移与倾斜信号更加容易分离，提高了测量信号的分辨能力，进而获得测量精度上的大幅度提高。采用的测量方式同时可以获得悬丝静态位置对应的信号，解决了悬丝静态位置调节的难题，大幅度降低了对悬丝静态位置准确进行调节的难度与成本，也大幅度地提高了测量装置的调试效率。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

一方面对探测器采用恒流驱动，以获取更稳定的工作状态；另一方面，采用了一种可以消除高偏置水平的信号处理线路原理，能够单纯地对悬丝振动时产生的微小信号电流进行变换处理并获得幅度足够的电压信号，无需采用高放大倍数的放大器来对测量信号进行放大，消除了原线路工作点的变化与信号电流变化耦合在一起对测量信号产生影响的关键问题，在很大程度上消除了原来测量信号中的低频基线倾斜及起伏的影响，使磁轴测量信号中的偏移与倾斜信号更加容易分离，提高了测量信号的分辨能力，进而获得测量精度上的大幅度提高。采用的测量方式同时可以获得悬丝静态位置对应的信号，解决了悬丝静态位置调节的难题，大幅度降低了对悬丝静态位置准确进行调节的难度与成本，也大幅度地提高了测量装置的调试效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是基于悬丝法的螺线管线圈磁轴测量系统结构及布局示意图；

图2是光电开关型的光电探测器的构成示意图；

图3是光电探测器发光头的恒流驱动原理图；

图4是惯用的信号探测线路原理图；

图5是具有消除高偏置水平的信号处理线路原理图；

图6是抑制漂移影响的原理线路图；

图7是悬丝静态位置调节信号变化说明图；

图8是数据采集的路线原理说明图；

图9a-b是磁轴偏移的测量信号对比图；

图10a-b是磁轴倾斜的测量信号对比图；

图中1-金属悬丝线，2-定位滑轮，3-牵引重物，4-x方向光电探测器，5-y方向光电探测器，6-螺线管线圈，7-亥姆霍兹线圈，8-光电探测器驱动线路，9-光电探测器信号检测线路，10-光电探测器发光头，11-光电探测器接收头，12-可调恒流电流源，13-运算放大器，14-取样电阻，15-补偿功能的光电探测器，16-差分运算放大器，17-ad转换器，18-数据采集器，19-da转换器。

具体实施方式

本发明涉及一种基于悬丝法的螺线管线圈的磁轴测量系统，通过设置一种可以直接消除较高偏置工作点电压的电流源电路，降低信号变化对工作点的影响，以提取出叠加在一个振幅较大的信号上的微小的变化信号，再进行磁轴的偏移与倾斜信号的处理，同时该技术可以获得悬丝的静止初始位置的信号，从而获得其位置指示的能力，避免了采用价格昂贵的精密仪器来进行悬丝的位置调整，可以大幅度提高测试的工作效率。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

螺线管线圈磁轴测量系统：

图1是基于悬丝法的螺线管线圈的磁轴测量系统的基本构成，主要由两组相互垂直安装的x方向光电探测器4、y方向光电探测器5及光电探测器驱动线路8与光电探测器信号检测线路9、两组相互垂直安装的线圈如亥姆霍兹线圈7及其驱动恒流源i3、通过定位滑轮2定位及由牵引重物3进行牵挂绷紧的一根直径约0.1mm的金属悬丝线1及其驱动电源i2、被测的螺线管线圈6及其驱动的恒流源i1等构成，另外还包括数据采集相关部分。

将金属悬丝线1两端使用悬垂的牵引重物3将其绷紧并处于水平位置，并确保金属悬丝线1处于两组光电探测器4、5的中间位置(通过调节探测器安装支架等达到)以及处于螺线管线圈6的中心轴线位置。金属悬丝线1加载低频的脉冲电流，被测螺线管线圈6也加载一个恒定电流，在螺线管内部产生一个磁场，同时亥姆霍兹线圈7也加载一定的电流对金属悬丝线1的振动进行调制；当螺线管磁轴存在偏差时，也即与金属悬丝线1有一定的夹角时，则由于螺线管线圈6产生的磁场的横向分量(大致垂直于丝线)会使加载了电流的金属悬丝线1受到一个横向的洛伦兹力的作用而产生一个叠加了调制作用的机械振动，金属悬丝线1的调制振幅与横向磁场分量沿轴向的积分值、金属悬丝线1上电流脉冲的宽度和幅度成正比，通过测量金属悬丝线1的振幅波形以获取其上的调制振幅，由悬丝线驱动电流、螺线管线圈工作电流等参数就可以通过计算而获得螺线管线圈的磁轴信息，包括偏移与倾角。

光电探测器的恒流驱动：

光电探测器4、5的发光头10采用恒流电流驱动，以提高发光的稳定性，减少发光波动的影响。一种具体的电路形式如图3所示，在图中采用了一种三端可调电压稳压器lm317，如果电阻采用60欧姆，则产生的恒定电流约20ma，可以用于驱动光电探测器的发光头。

光电探测器信号检测的惯用方法原理：

在一个具有较高偏置水平下的微小信号检测技术中的惯用方法是采用交流隔直放大器来对叠加在大信号上的小信号进行提取与放大的，如图4所示，这也是螺线管线圈磁轴测量技术一直采用的线路原理，无论如何改进，其基本原理从未改变过。

光电探测器的静态工作电流在数ma的水平，当悬丝振动时，产生的电流变化在约数μa左右的水平。通常的信号检测线路如图4所示，在测量点处的直流偏置电压一般都在数伏的水平，而有效信号的变化幅度仅有数mv左右，因此，一般采用交流隔直放大器(或带通滤波器bpf)来对信号进行放大，利用容量很大的耦合电容co将直流信号隔离而交流信号通过，放大倍数需要达到一个较高的水平才可以获得具有明显差异的有效信号，一般约50倍左右或更大；由于驱动脉冲的频率为20hz左右，则要求耦合电容co容量较大以对低频信号具有较好的耦合效果，但易产生低频基线信号的倾斜问题，使得磁轴倾斜与偏移信号耦合在一起，不利于信号的分离处理。改进工作也只是在滤波器的性能上进行，无论如何设计后继的滤波器电路，在低频端始终存在一个截止频率，不能获得直流偏置信号；由于这种线路是基于对小信号变化的放大处理，其输出信号仅反映悬丝线振动过程中的振幅动态变化的情形，在输出端不能获得悬丝线的实际位置信号，不能确切地知道悬丝线相对于探测器的位置，不利于悬丝线初始静态位置的调节，从而对获得良好的振动信号产生不良影响。

光电探测器信号检测的改进：

为了获得金属悬丝1振动的实际位置信号及静态位置调节能力，对惯用的检测线路原理进行了改进，如图5所示，采用了一种类似差分的偏置消除的处理原理。

利用运算放大器13输入端的虚地概念，为探测器的光接收端11提供稳压工作电源vref(+10v)，消除了输出信号变化对工作点的影响。选择负端输入偏置电流及漂移都较小的运算放大器13，以降低对测量电流is的影响；将运算放大器13的负输入端作为信号汇流的节点，并另行提供一个电流吸收支路12(ic)，其上的电流可以抵消探测器较大的静态工作电流is，从而使得取样电阻14(ro)上可以只有悬丝线振动时产生的微小信号电流δi流过并在输出端产生一个较大的电压信号vo′(vo′＝δi·ro，由ro阻值决定)。信号的后继处理较简单，只需低通滤波处理或低放大倍数的放大即可，具体测量线路中采用了基于多点反馈的切比雪夫低通滤波器lpf，通带为2khz，带内波动0.3db，截止频率为6khz，带外衰减不小于50db。在这样的测量线路中，输出信号的幅度与两个因素有关：悬丝线的初始位置及电阻ro的阻值。悬丝线的初始位置直接影响振动信号幅度可以变化的大小，对信号有效变化范围产生影响；ro直接对变换的电压输出信号幅度产生影响，ro阻值的改变不会对后继的滤波器参数产生任何影响，有利于现场调试。由于输出信号是与探测器输出电流(包括变化部分)直接相关的，虽然消除了静态电流信号部分，但仍然包含了悬丝的实际位置信息，因此，该系统可以获得悬丝线的静态初始位置，在不借助其它高精度测量仪器的情况下有利于悬丝线的初始位置调节，从而提高测量效率。

光电探测器信号检测的补偿：

针对环境光照条件的变化及温度漂移、时间漂移等对光电探测器的影响，可以在探测器的应用结构上进行一定的改进，如图6所示。假设光电探测器11(t1)用于悬丝振动测量，光电探测器11(t2)用于补偿，则t2仅需与t1处于相同的工作环境即可；此时，t1的静态电流is与t2的静态电流is1应该可以相消，包括漂移性能，这种形式同时可以在一定程度上抵消探测器漂移包括环境光线变化带来的问题。但可能存在器件性能离散性的因素，而导致电流并不能完全相消，此时可以再增加一个电流及方向均可以调节的恒流源12(ic)用于抵消这一部分的电流，这样就可以获得对纯粹的微小信号进行处理的能力。

这种能力对于解决测量信号缓慢漂移的问题具有较大作用，从而提高参考信号获取的质量，有利于信号的进一步处理。

悬丝静态位置的调节：

实际上是通过调节光电探测器的位置来达到使悬丝处于探测器中间位置的。调节探测器的安装支架使悬丝可以来回地横向穿过探测器中间位置，体会位置指示读数变化的一个过程，大体了解位置指示读数的最大值情况；调节支架，使位置读数值大体处于最大读数值处或附近即可，此时悬丝的位置基本处于探测器的中间位置。这个过程如图7所示。这样的调节方式由于利用了悬丝振动测量系统本身的功能，避免了另外使用价格昂贵的精密仪器，极大地简化了悬丝位置的调节难度，并大幅度地提高了悬丝位置调节的效率。

数据采集系统：

当采集参考信号时，由具有d/a转换功能19的数据采集器18输出一个恒定偏置值如零等到外部，并输入到一个差分运算放大器16的负输入端，差分放大器16的正输入端输入前面已处理的悬丝振动信号，此时实际在数据采集器18的输入端得到的就是参考信号，并进行数据转换，存入数据采集器18的内存。当要采集悬丝的调制振动信号时，需要同步地在数据采集器18的d/a输出端19将前面已采集的参考信号再转换为模拟信号，在差分放大器16上与悬丝振动信号进行差分运算而获得一个纯粹的调制振动信号用于数据采集器18的a/d转换，此时获得的信号即是需要的可以用于计算磁轴参数的信号。这个过程如图8所示。

光电探测器信号检测的效果：

在同样的测量条件及环境下，由采用原来的测量线路与本发明测量系统同时对悬丝振动进行对比测量。获得的磁轴倾斜测量波形如图9a-b所示；明显地，在不同信号的水平下，本测量系统获得的有效信号都是相当平直的矩形波形或只具有相对较小的倾斜，与理论模拟结果比较一致，有利于信号的进一步处理。由原来的测量系统获得的信号中，则存在较严重的基线倾斜，且有一定的扭曲情况，导致信号的数据处理具有一定的难度。获得的磁轴偏移测量波形如图10a-b所示；包括了一个叠加在倾斜信号上的偏移信号波形。由于基线部分相对平直(对应倾斜信号)，因此磁轴的偏移信号(山峰部分)更易于分辨与提取，可以提高测量的精度；由原来的测量系统获得的信号中，始终存在基线的较大起伏与明显倾斜，当偏移信号变小时，更可能不被识别，因此测量精度无法达到较高水平。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。