一种磁悬浮球试验装置的制作方法

本实用新型涉及实验装置领域，尤指一种磁悬浮球试验装置。

背景技术：

磁悬浮技术是集电磁学、控制工程、信号处理、机械学、动力学等多门学科于一体的一种新型高科技技术。磁悬浮技术因其无接触、无摩擦等特点而具有能耗低、污染小、噪声小等优点，因此磁悬浮技术被广泛应用。磁悬浮球试验平台，作为高校或相关研究人员研究磁悬浮系统控制规律的基础设施，其主要是通过控制绕组上流过的电流从而得到可控的电磁力，使钢球的重力与电磁力相互抵消直至悬浮在空中，从而使系统稳定运行。

然而单一的磁悬浮系统属于开环系统，系统不稳定，极易受外界环境不稳定因素的影响。故为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使整个系统具有一定的抗干扰能力。

传统的磁悬浮球试验系统，是将输入到绕组中的电流I作为输入量，钢球离电磁铁的距离X作为输出量，且采用光电传感器测量钢球离电磁铁的距离X，并将其变化量作为反馈量来构成闭环系统。但是在实际应用中，由于系统在较稳定环境中使用，所以钢球离电磁铁的距离X变化量常常是微小量，难以测量，这就为研究磁悬浮系统应用于精确控制带来了困难。而高精度的光电位置传感器价格较电容式传感器比较昂贵，且对使用环境有特殊要求，环境光照不能影响到光电传感器使用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供一种磁悬浮球试验装置，采用电容式传感器测量钢球靠近或远离电磁铁之间距离的变化量，电容式传感器相对于光电传感器的使用环境没有更多的要求限制，且价格廉价。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种磁悬浮球试验装置,包含有电磁铁、第一电容式传感器、第二电容式传感器、钢球、用于将位移变化量转化为输出电压的信号处理装置、用于将模拟量转换为数字量便于终端信号处理的AD转换器、用于信号处理的终端、用于将数字量转换为模拟量便于驱动装置输出相应电流进行控制的DA转换器、含有电压-电流型功率放大器及接收终端处理后经过DA转换器电压信号输出相应电流的驱动装置，电磁铁通过电磁力作用使钢球克服重力悬浮在空中，第一电容式传感器和第二电容式传感器间沿重力方向上下设置，钢球位于第一电容式传感器和第二电容式传感器之间，第一电容式传感器、第二电容式传感器均设有一对，所述钢球位于两第一电容式传感器、第二电容式传感器之间，第一电容式传感器、第二电容式传感器的输出端通过信号处理装置与AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端与终端的输入端连接，终端的输出端通过DA转换器与驱动装置的输入端连接，驱动装置的输出端与电磁铁电连接。

进一步地，所述终端为电脑。

进一步地，所述第一电容式传感器、第二电容式传感器为平行板电容器。

进一步地，所述信号处理装置为信号处理电路，所述信号处理电路包含有第一电感L1、第二电感L2，第一电容式传感器为第一电容C1，第二电容式传感器为第二电容C2，第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2的一端连接端口UE，第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2的另一端连接端口Uo。

进一步地，所述信号处理装置为信号处理电路，所述信号处理电路包含有变压器T1，第一电容式传感器为第一电容C1，第二电容式传感器为第二电容C2，变压器T1的输入端连接端口UE，变压器T1的输出端通过第一电容C1、第二电容C2连接端口UO。

本实用新型的有益效果在于：

电容式传感器用于检测钢球的位置，第一电容式传感器、第二电容式传感器与钢球对应，以此检测钢球的位置，测量精度高，微少的位移变化也能轻易捕抓，动态响应高，信号处理装置将位移的变化量转化为输出电压，通过AD转换器转换成相应的数值，终端根据数值判断钢球是否处于平衡，若有变化则调整电磁铁上的电流让钢球悬浮平衡。

附图说明

图1 是本实用新型的结构示意图。

图2 是本实用新型中处理装置与第一电容式传感器、第二电容式传感器的连接电路图。

图3 是本实用新型中处理装置与第一电容式传感器、第二电容式传感器另一种连接的电路图。

附图标号说明：

1- 电磁铁；2-第一电容式传感器；3-第二电容式传感器；4-钢球；

5-驱动装置；6-信号处理装置；7-DA转换器；8-AD转换器；9-终端。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型关于一种磁悬浮球试验装置,包含有电磁铁1、第一电容式传感器2、第二电容式传感器3、钢球4、用于将位移变化量转化为输出电压的信号处理装置6、用于将模拟量转换为数字量便于终端9信号处理的AD转换器8、用于信号处理的终端9、用于将数字量转换为模拟量便于驱动装置输出相应电流进行控制的DA转换器7、含有电压-电流型功率放大器及接收终端9处理后经过DA转换器7电压信号输出相应电流的驱动装置5，电磁铁1通过电磁力作用使钢球4克服重力悬浮在空中，第一电容式传感器2和第二电容式传感器3沿重力方向上下设置，钢球4位于第一电容式传感器2和第二电容式传感器3之间，第一电容式传感器2、第二电容式传感器3均设有一对，所述钢球4位于两第一电容式传感器2、第二电容式传感器3之间，第一电容式传感器2、第二电容式传感器3的输出端通过信号处理装置6与AD转换器8的输入端连接，AD转换器8的输出端与终端9的输入端连接，终端9的输出端通过DA转换器7与驱动装置5的输入端连接，驱动装置5的输出端与电磁铁1电连接。

本实用新型的使用原理如下：

电磁铁1通过一定的电流使电磁铁1产生电磁力从而与钢球4的重力相抵消，实现小球在预定位置的稳定悬浮，这种平衡状态不稳定一旦受到外界的微小干扰，就会使钢球4产生一定的位移，位移量由电容式传感器测量后经过信号处理装置6变换为电压信号，此信号经过AD转换器8进入终端9进行处理，终端9输出的控制信号经过DA转换器7将数字量转换成模拟量，再经过驱动装置5中的电压--电流型功率放大器，将控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生电磁力从而使钢球4回到原平衡状态。

进一步地，所述终端9为电脑；采用上述方案，通过电脑可以快速对AD转换器8上的信号快速分析、处理。

进一步地，所述第一电容式传感器2、第二电容式传感器3为平行板电容器；采用上述方案，平行板电容器具有测量面积大的特点，进一步提高对钢球4移动位置的精确度。

进一步地，所述信号处理装置6为信号处理电路，所述信号处理电路包含有第一电感L1、第二电感L2，第一电容式传感器2为第一电容C1，第二电容式传感器3为第二电容C2，第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2的一端连接端口UE，第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2的另一端连接端口Uo；采用上述方案，初始时，第一电容式传感器2与第二电容式传感器3的电容相同，当钢球4不平衡时，通过第一电容式传感器2和第二电容式传感器3测量，钢球4相对于第一电容式传感器2、第二电容式传感器3必将产生相对位移,电容式传感器因间隙改变，上下两对电容将分别为第一电容C1、第二电容C2，显然第一电容C1、第二电容C2可由公式推导出与d相关；

信号处理装置6为处理电路，用于信号处理，将位移变化量转化为输出电压，参阅图2所示，图2为第一电容C1、第二电容C2与处理电路连接形成的紧耦合电感壁电桥，第一电感L1、第二电感L2为两相同电感，UE为交流电压，U0为输出电压。公式推导，得

由公式可知，可通过改变频率ω、电感L和电容C来改变灵敏度K。，输出电压Uo经AD转换器8输送到终端9进行信号处理然后经过DA转换器7输出电压信号到驱动装置5，驱动装置5为驱动电路，驱动电路包含有电压-电流型功率放大器，经过电压--电流功率放大器输出驱动电流进入电磁铁1产生电磁力，直至钢球4的重力回到平衡位置。

进一步地，所述信号处理装置6为信号处理电路，所述信号处理电路包含有变压器T1，第一电容式传感器2为第一电容C1，第二电容式传感器3为第二电容C2，变压器T1的输入端连接端口UE，变压器T1的输出端通过第一电容C1、第二电容C2连接端口UO；采用上述方案，如图3所示，图3为另一种紧耦合电感壁电桥，两边通过变压器T1进行连接，右边的电感中间点接地，E为交流电压，Uo为输出电压。公式推导，得：

由公式可知，灵敏度K随着钢球4的位移变化以及总位移d0变化。输出电压Uo后经AD转换器8输送到PC进行信号处理然后经过DA转换器7输出电压信号到驱动电路经过电压--电流功率放大器输出驱动电流进入绕组与电磁铁1产生电磁力与小球重力平衡直至小球再度回到平衡位置。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。