磁悬浮的模糊控制系统设计+数学建模+仿真(7)
2.3.1 传感器原理
光电池是在 N 型硅片上扩散硼形成 P 型层，然后分别用电极引线把 P 型和 N 型层引出,形成正、副电极，如图 3.1 所示。当光照射到 PN 结时，在光子能量的作用下，N 型半导体中的电子就向 P 区扩散，P 型半导体中的空穴向 N 区扩散。这样就在结区的附近激发出电子、空穴，形成电场。这个电场又使 N 区的光生空穴向 P 区运动，P 区积聚了正电荷，P区的光生电子向 N 区运动，N 区积聚了负电荷。结果就在 PN 结的两端出现了电动势，即光生电动势[11]。
图 2.1 光电池原理图
硅材料制成的光电池频率特性相对较好，光谱范围比较宽，响应频率也在可见光范围内，光学系统采用普通的 LED 灯即可。
硅光电池在不同光照射条件下输出不同的光电流和光生电压，它们之间的关系用光照特性曲线来表示。由图 2.2 可知，在很大的范围内，短路电流（曲线 2）和照度成线性关系，虽然开路电压（曲线 1）在照度很小时增加很快，但很快就达到了饱和值，实际使用时让其在接近短路状态下工作，以得到更好的光照特性。
图2.2 硅光电池的照度曲线
2.3.2 传感器装置及后处理电路
传感器实验装置示意如下图所示：
图 2.3 系统示意图
当浮体（钢球）的位置在垂直方向发生改变时，狭缝的透光面积也就随之改变，从而硅光电池的曝光度（照度）发生变化，最后将位移信号转化为一个按一定规律（与照度成比例）变化的电压信号输出。
由于此类传感器的特殊性，硅光电池接收光信号转化为电压信号，杂光、背光对其干扰必然存在，系统装置的设计应尽量避免或减少这种干扰，特在接收端采用遮光罩封闭硅光电池（开透光狭缝）。发射光源采用趋近于平行光(发散角度仅 6 度)的 LED 灯，整个装置为开放的结构，在实验过程中可以取得很好的视觉效果。
硅光电池通过接收光能转化为电能，由于能量接收少，且硅光电池到目前为止转化效率并不高，故其产生的电压信号比较微弱，尚不能够直接采样控制使用，所以外部电路需一级放大环节。鉴于磁悬浮球系统所采用的数据采集卡最大输入电压为+/-10V,故选择放大100 倍左右，再在输出级适当调节分压。另一方面，在普通环境条件下，外界光对感光器件的干扰不可能绝对避免，另外电路接线、电子元器件的稳定性等都给传感器信号带来一定的噪声，因此，信号调理环节必不可少，外部电路的构成则主要为放大与滤波环节。
2.4、磁悬浮系统数学模型的建立
（1）磁悬浮试验装置
磁悬浮实验装置主要由LED光源、电磁铁、光电位置传感器、电源、放大及补偿装置、数据采集卡和控制对象(钢球)等元件组成。它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统组成框图见下图(此图来源于说明书)：
图2.4系统组成结构图
（2）系统工作原理
磁悬浮球控制系统是研究磁悬浮技术的平台，它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统结构图如下图2.5（此图来自说明书）。电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力，只要控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的重力相平衡,钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使整个系统稳定具有一定的抗干扰能力。本系统中采用光源和光电位置传感器组成的无接触测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离x的变化，为了提高控制的效果，还可以检测距离变化的速率。电磁铁中控制电流的大小作为磁悬浮控制对象的输入量。
图2.5磁悬浮试验系统结构图