速度测量系统
摘要
一个速度传感器测量带电体的速度，速度传感器用到E型磁芯，一对有间隔的霍尔效应装置位于磁芯的末端，所有的磁芯与导电运动体毗邻。两个霍尔效应装置的不同电压输出反映带电运动体的速度。
图１a
图１b
图２
图３
图４
图５
速度测量系统
发明的起源
此处所述的发明是由美国政府的一名雇员所发明的，可以为了美国政府的目的制造和使用，并且不用为此支付任何版税或说明。
这项发明的背景
1.这项发明的使用领域
这项发明涉及到速度测量装置，特别是采用磁性装置来模例测量导电体的速度，包括液体和固体物质。
2.大致描述下
都知道磁测速装置是基于电涡流效应，要么直接改变磁通量，要么通过次要磁通路径改变磁通量.过去这类设备的不足在于他们的效率，信号和exitation能量都很差，所以信号的线性度一直不能令人满意。
因此，本发明的目标是提供一个具有好的效率和良好的线性度的信号且可以和磁
轴承相结合的磁性速度传感器，进一步的目标是提供一个允许速度测量元件之间不用考虑组件的耦合效应的装置。
摘 要
根据这项发明，一个E型磁心与他的三个极密切间隔要测量其速度的导电体。一对霍尔器件或发生器在中心极底端的表面，这些发生器很明显被间隔，最好的间隔是被测量速度的运动机构沿其路线的最长距离。因此，霍耳发电机的位置在由导电体的运动速度引起通量密度最大变化和通量差异最大的位置。这种差异由霍耳电机感知，从它反映运动体的速度。
作为这一发明的特色，其手段是通过改变电输入到励磁线圈引起E型磁芯的磁偏，保持恒定总流量通过磁路。这项发明仅适合用于导电体的速度测量，包括具有磁性的导电体。此外，速度分量可在两个或两个以上的方向上来测量，但有一项简单必要的，磁芯或内核与霍尔效应发生器的定位沿着线速度或速度分量测量的方向。
进一步，这项发明可能仅仅是一个离散测量装置，或者它可能与其他磁路相结合，如一个磁轴承或多个轴承。
简洁说明这些图
图1a 是这个发明基本原理的示意图
图1b是一系列曲线簇表明由图1a的构造引起的流量分布
图 2是这一发明适用于圆形或球形机构测量的一种形式的示意图
图 3是鉴于图2显示的磁芯结构看到的正常结构的端面
图 4是一个磁支撑旋转球型机构的示意图
图 5是这项发明的速度传感系统预想的示意图
详细说明这些图
首先图1a，这是说明了这一发明用来测量高速运动物体10 的基本图，箭头12是方向移动。一个E型磁芯14由线圈16通电，供电装置没有画出。一般来说，供电是支流电。运动体10密切定位在磁芯14和磁性材料的导轨18间，磁芯与运动体，导轨与运动体之间的空间距离通常为1毫米。运动体要么是一个导电体要么表面导电。霍尔效应发电机H1和H2的位置，如图所示，在磁芯14的中心段24。霍尔发生器H1被定位在可以看作磁通量通过磁心中心24的后缘位置，霍尔发生器H2被定位在可以看作磁通量通过磁心中心24的前缘位置，考虑到移动机构10的移动方向。导轨18为了提供更多的流量路径，为系统输出更大的信号，但它不是绝对必要在操作中。
图1b是建立在图1a上用来说明磁感应强度穿过图1a上装置的路线，特别说明E型磁芯两极下的磁感应强度。实线26代表运动体10没有运动时的磁感应，虚线28代表着运动体由选定的速度运动产生的磁感应分布。因此，按照本发明应当指出，霍尔发电机H1和H2位于磁感应强度变化最大处来获得测量最大的感应。
常规方式下霍尔电机H1和H2适当的偏离直流源，他们的输出输入到差分电路32，如桥路，桥路的适当输出输入给给运动体10的速度提供一个显示或者提供一个指示的指示器34。
图2和图3是说明这个发明用于像测量球体40的速度的，这个发明的基本理论和操作将从这些图中得到说明。
如图所示，E磁芯的极面42，44，46的弯曲符合球体40的外表面50，直流源54提供线圈52直流电，由响应位于中心极44的表面中心的霍尔效应发生器58产生的流量感应的直流控制56来控制。控制电流是为了让穿过中心极44的磁路的磁通量保持恒定。
因为在这一系统中它通常不可能采用固定磁轨，球体40的表面通常构造一个在具有良好磁性的层61在其上的良好的导电材料外层60。另外，表面区域可以是只有具有这两种特性的单层。此外，表面区域可以是只有单一的导电材料层。信号放大器适当的放大霍尔发生器66和68和输出信号。放大器62和64的输出输入到差分电路70做减法运算，最后由与速度成正比的信号指示器72指示。
该系统的机理，旋转球上的磁场产生电压促使电流在球体表面流动。这些电流以反对磁通量的变法流动。其结果是减小我们看到的旋转区域中心极44边缘74磁感应强度，并增加其尾部或离开边缘76的感应强度。在霍尔发生器上由霍尔发生器66和68测得的不同磁感应强度是与球体上速度的速度分量成正比的第一近似值。
一种简化的系统分析如下：
E型磁芯48中心极的磁感应强度B是：
B = (AT1 - AT2）p （1）
P是磁通量的一个磁通量管的渗透率，AT1是磁化的线圈16的安培轮流，AT2是由运动转子10产生的安培轮流，反对安培轮流存在磁道管中正在审议。磁芯48下的运动转子中的电压均称的给一个封闭的电路
e≈B×v（2）
V是转子的速度，由电压产生的转子中的电流是
i = e/r （3）
r是电流通过转子那部分的电阻，结合（1）（2）（3）有如下关系
i ≈
(p/r)(AT1 -
AT2)v. (4)
作用在转子通量管正在审议的安培轮流AT2正比于转子的电流，所以，结合（4）有：
AT2 = k(p/r)(AT1 - AT2)v （5）
化简这个公式，有AT2 = AT1v/(r/kp+v)（6）
因为AT2△B，结合公式（1）磁通量变化为引起在所示的霍儿电机测量点磁通量变化为
△B= AT2×p,
结合公式（5）
△B= AT1pv/(r/kp+v) （7）
霍儿发生器产生的两个不同信号在霍尔发生器线性范围内比例于磁感应强度的变化。这样，结合在霍尔发生器在感应环路和放大器的增益因子g1pv/(r/kp+v)（8），测量信号为：S=gAT
这个公式表明如果在v < .时，信号正比于转子的速度。对大速度，信号达到饱满值。
非线性的设计可这样设计
r/kp > > v (9)
关于这三个参数 R，K，P，K是一个不能改变多少比例系数（在公式（5）中）。而R，P在适当的设计中能修改。在转子中选择高抗性的电流路径，例如：由一个较大的磁通量空气路径很有用。随后在公式（8）中很明显的信号强度损失能够在足够高的增益因子G和高磁化的E型磁芯中得到补偿。
公式（8）和（9）很明显的表明，非线性效应由减小线圈16产生的安培轮流效应的转子10的安培轮流造成的。因此，传感器信号越小，非线性效应越小 ，同时也要更大的扩大信号以获得满意的信号强度。在多数情况下，在一个可以接受的噪声指数内，足够的放大是可以获得的。
通过技术说明，电磁子系统的非线性可以通过控制磁通量为恒定值来补偿的，也就是说，通过电流源56来控制通过线圈52的激励电流，电流源反过来由辅助霍尔发电机58控制。后者提供一个信号指示通过E型磁芯的流量规模，其中，通过常规技术，电流控制56控制电源54提供一个电流输入给绕组16来获得恒定的通量。
图4和5说明这个发明的使用结合磁轴承80和82，磁轴承具有E型截面并且适用于磁支撑，在球体84上没有任何物理支撑。这个系统支撑的一个例子先前在美国 Pat. No. 3,017,777上发给申请人。磁轴承80和82的磁芯通过偏压源86来控制，通常86是差分源，提供差分电流给磁轴承。进一步说明，为了保证这一发明的系统的测量精度，通过手段是保证通过轴承的磁通量的总和恒定为常数。注意在图4中，霍尔效应发生器H1和H2在磁轴承82的中心心的极端，这是对旋转球体40的方向测量。同样的，霍尔效应发生器H3和H4在磁轴承80的中心柱处。
特别说明的是图5，注意到霍尔发生器是有偏差的，通过电源88和一系列可变电阻90，通过霍尔发生器的电流得到调整。每个霍尔发生器的输出电流反馈给一个放大器92，94，96，98。这些放大器的总输出通过他们的一系列相连相加，因此，提供一个总的信号，记作（H1+H2）+（H3+H4），分压器100分得的参考电压减去这个信号，分压器由给霍尔发电机提供偏置的电源88供电，。通过调整分压器，得到由霍尔效应装置感知选定的流量总和时为0的的输出。为了保持速度指示的精确和校准，可取的做法是保持总的通量恒定。因此，通过调节分压器100来实现选定的输出，输出反馈给终端101，从101到电流控制102，102再控制给磁轴承80和82能量的偏流源86的总电流输出。通常情况下，偏流源86给磁轴承80和82提供不同的电流。放大器92和94的离算输出在不同的电路109中相减，放大器96和98的离算输出在不同的电路104中相减，由次产生的不同信号在加法电路106中相加，产生信号（H1+H2）+（H3+H4）。这个由霍尔发电机从磁轴承80和82获得的信号与运动体10沿相当于与霍尔发生器交叉的平面的沿线的速度成比例。通过在放大器107中的合适放大，信号反馈给提供显示或者其他指示的速度显示108。
上面已经描述了下我的发明，什么是我主张的：
速度传感器测量导电体沿一条运动路径的表面速度的组成：
1.一个E型磁芯具有中心极和两个间隔的外极，两外极的末端配制时密切间隔要测量其速度的带电运动体，两极定位按照运动体的运动方向；一个激励线圈饶在中央极上；第一和第二个霍尔装置沿运动体运动方向上安置在磁芯的中央级的末端表面上，每个霍尔装置有一个偏置输入和信号输出。偏置意思是提供一个偏置电流给磁芯和霍尔装置偏置输入；差分意思是连接两个霍尔装置的输出并对这两个信号相减，产生指示沿着但间隔霍尔装置中心极的外表面的运动体的速度的信号
2.组成在1中已详细的说明，其中：
传感器包括第三个霍尔装置，位于磁芯中心极外表面的中央；偏置意思是提供一个偏置电流给激励线圈，包括直流控制，意思是响应第三个霍尔装置的输出，为了使通过磁芯中心极的通量保持不变。
3.在2中所说的速度传感器进一步的组成有放大第一和第二个霍尔装置的输出的放大器，显示是指响应差分的输出，显示带电体的速度。
4.测量沿着一条路径运动的带电体表面速度的传感器组成：
第一个和第二个相反定位的E型磁芯调整和定位来磁支撑一个位于磁芯间的旋转球体，每个磁芯有中心级和两个间隔的外极，所有的磁芯位于沿运动体运动方向上；第一个和第二个霍尔效应装置间隔的定位在第一个磁芯中心极的底部，第三个和第四个霍尔效应装置间隔的定位在第二个磁芯中心极的底部；第一个和第三个霍尔效应装置截然相反的定位在运动体的对面，第二个和第四个霍尔效应装置截然相反的定位在运动体的对面；第一个激励线圈绕在第一个磁芯，第二个激励线圈绕在第二个磁芯；偏置意思是提供一个偏置电流给霍尔效应装置和激励线圈，显示是指响应差分的输出，显示带电体的速度。
5.在4中所说的速度传感器进一步的组成有放大第一和第二个霍尔装置的输出的放大器。
6.在5中所说的速度传感器进一步的组成求和的意思是做为一个输出 ，比例于霍尔效应装置输出和的信号；参考信号由求和输出提供一个信号，为了使由E型磁芯总流量为选定的时输出为0；直流输入与参考信号有关，意思是给第一和第二个激励线圈提供一个直流，保持第一和第二个磁芯的磁通量不变。
