D
设计分析 esignandanalys 2010年第8期
一种新型差动变压器式角位移传感器
孟武胜,苗溢文,董 蓉
(西北工业大学,陕西西安710072)
摘 要:指出了传统角位移传感器结构复杂、工艺要求高、对环境要求高、使用寿命短、测量精度低等不足,并且介绍了一种新型结构的差动变压器式角位移传感器的原理,按照该原理研制出的传感器有效地避免了传统角位移传感器的不足,并给出了输出特性曲线。
关键词:差动变压器;角位移传感器;互感系数
中图分类号:TM38 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2010)08-0032-03
ANewDifferentialTransformer-TypeAngularDisplacementSensor
MENGWu-sheng,MIAOYi-wen,DONGRong(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China)
Abstract:Shortagesoftraditionalangulardisplacementsensorswerepointedout,suchascomplexstructure,highde-mandonenvironmentandtechnology,shortworkinglife,lowprecision,andtheprincipleofanewstructureofdifferentialtransformer-typeangulardisplacementsensorswasintroduced.Accordingtotheprinciple,thedevelopedsensoreffectivelyavoidsshortagesoftraditionalangulardisplacementsensor,andgivestheoutputcharacteristiccurve.
Keywords:differentialtransformer;angulardisplacementsensor;coefficientofmutualinductance
0引 言
在各种工程实践和应用系统中,角位移是重要的被检测量,因此能否对角位移做精确地检测,就显得格外有意义。
角位移传感器的种类很多,有编码盘式、光栅式、感应同步器式以及电位器式、电感式、电容式、霍尔式、激光式等,但这些传感器在实际应用中都存在着一些问题,有的设备复杂、成本高;有的对环境要求高;有的精度低、线性范围小;有的结构复杂、工艺要求高
[1]
由于在使用时采用两个二次绕组反向串接,以差动
方式输出,所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器,通常简称差动变压器。在理想状态下,即忽略线圈寄生电容及铁心损耗的状态下,差动变压器的等效电路如图1所示。
。
图1 差动变压器等效电路图
差动变压器式角位移传感器是角位移测量中常用的一种传感器,与其他角位移传感器相比,其优点
一种新型差动变压器式角位移传感器
在图1中,e1是初级线圈的激励电压,e2是次级线圈的感应电压;L1、R1分别是初级线圈的电感和电阻;M1、M2分别是初级线圈与次级线圈1、2之间的互感;L21、L22和R21、R22分别是次级线圈1、2的电感和电阻。I1为初级线圈中的电流。
根据变压器工作原理为:
·
·
[2]
·
有:结构简单,工艺要求低,
具有无限分辨率、测量精度高、使用寿命长等特点。本文根据差动变压器原理,介绍了一种新型差动变压器式角位移传感器的
工作原理,并且阐述了设计时需要注意的问题。
1差动变压器原理
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化,即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
收稿日期:2009-10-20
,次级线圈的感应电势
E-jωM21=1I1
·
E-jωM22=2I1
·
·
·
输出电势为:
·
·
EE-jω(MMI2=E21-22=1-2)1
当铁心在中间位置时,若两个次级线圈参数及磁
32
改稿日期:2009-11-25
2010年第8期
D
设计分析 esignandanalys路尺寸相等,则MMM,所以E0;当铁心偏离1=2=2=中间位置时,MM+1≠M2,由于差动作用,所以M1=ΔMM-ΔM化。1,M2=2,近而感应电动势E2变
在一定范围内,ΔM=ΔMΔMM1=2,其差值(1-M与铁心位置成一定比例,在负载开路情况下,输2)
出电势为:
·
·
级线圈与基准变压器初级线圈之间的互感系数,最终引起输出电压在基准变压器输出电压值上下变化。2
.2铁心原理
轴的形状及尺寸如图4所示,槽的长度为h,深度即轴体半径为r。初始位置保持槽面水平,右侧槽向上,左侧向下。旋转方向为顺时针方向。
E1
E=-jω(M-M)I=-2jΔM21
21
RjωL1+1
·
·
图4 轴的基本尺寸
根据法拉第电磁感应定律,左侧调压线圈、基准变压器次级线圈、右侧调压线圈的感应电动势分别
图2 差动变压器的输出特性
为:
dψ1
E=-jωψ-jωN21=1=21Υ1
dt
·
dψ2
E=-jωψ-jωN22=2=22Υ2
dt
·
dψ3
E=-jωψ-jωN23=3=23Υ3
dt
·
差动变压器的输出特性曲线如图2所示。图
·
中,x表示衔铁偏离中心位置的距离;E2为差动输出
电动势,其中实线部分表示实际输出特性,而虚线部分表示理想输出特性;Uz为零点残存电压
[3]
。
2新型差动变压器式角位移传感器的原理
2.1内部结构
如果差动变压器的铁心可以跟随角位移的方向同步旋转,并且在其旋转过程中改变初级线圈和次级线圈之间的互感,进而改变感应电动势,最终就可以测量角位移。
此传感器结构如图
3所示,其主要组成部分有(自下而上):铁心柱、套在铁心柱的三个线圈、传感器的轴即铁心的铁轭,其他部分还有传感器壳体、导线、接口、轴承等。
式中:N基准变压器21、N22、N23分别为左侧调压线圈、次级线圈、右侧调压线圈的匝数;Υ1、Υ2、Υ3和ψ1、ψ2、ψ3分别为穿过左侧调压线圈、基准变压器次级
线圈、右侧调压线圈的磁通量和磁通链数。
根据磁路定理,磁路的磁通:
ΥN1I
RRRX+Y+
式中:R分别为铁心磁阻、衔铁磁阻、气隙磁X、RY、R阻。因为铁心、衔铁的磁导率远远大于空气的磁导率,所以:
RRX+Y RΥN1I
R
一种新型差动变压器式角位移传感器
当半圆柱旋转到轴的下半部分,且距离轴心距
图3 新型差动变压器式角位移传感器基本结构
离大于r∈(01时,可以形成闭合磁路,转动角度为θ～π)。
R21=2
r0
2lrdr1
μπ-θ)rhμ(π-θ)0(0h
此种传感器的轴并不是完整的圆柱体,而是在与铁心柱两侧柱子所对应的位置上,各切去半圆柱槽,并且槽口方向相反。槽的长度应该在槽口向下时尽量把两个相邻线圈间的磁路切断。这样传感器的轴就分为三个部分,对应这三个部分,分别有三个线圈套固定在传感器壳体的铁心柱上,两边的线圈可称为调压次级线圈;中间的线圈由两层线圈组成,即组成一个变压器称为基准变压器。在基准变压器内侧是初级绕组,外侧是次级绕组。基准变压器上的次级绕组与两个调压次级线圈分别正、反接,这样就可以通过传感器轴的旋转角度,改变两侧调压次
r1
r0
R23=2
r1
r0
r0
2lr1drμrhμθ0θ0h
R右调压线圈与铁心和衔铁耦合的21、R23分别是左、气隙磁阻。由于基准变压器的初、次级线圈同时缠绕在一个铁心上,并且通过基准变压器的初次级线圈的磁通分别通过左、右调压线圈(相当于R21和R,所以有:23并联)
33
D
设计分析 esignandanalysR21R23
R22RR21+23
2010年第8期
表2 传感器实际参数
基准变压器初级线圈匝数基准变压器次级线圈匝数
调压次级线圈匝数输出电压范围
[1**********].62～4.19V
穿过左侧调压线圈、基准变压器次级线圈、右侧调压线圈的磁通量分别为:
Υ1Nμ(π-θ)N1I0h1I
Rr210
2lr1
图5为实验测得的新型差动变压器式角位移传感器的输出曲线,由图可看出,此设计的传感器线性度好,输出稳定,完全可以满足实际应用的要求。
μπN0h1I
ΥΥ2=Υ1+3r0
2lr1
NμθN1I0h1I
Υ3Rr230
2lr1
输出电动势:
·
·
·
·
图5 差动变压器式角位移传感器输出曲线
EEE2=21+E22-23=
jωμN0h1I
[(NNπ-(NNθ]21+22)21+23)r0
2lr1
由上式表明,输出电动势E2与轴所转过角度θ之间是线性的,这也就是此款传感器的铁心设计原理。
在制造差动变压器式角位移传感器时,首先值
得注意的是铁心柱、轴、线圈要尽量配合紧密,这样能保证磁路的闭合。如果间隙较大将导致调压范围减小,甚至输出电压几乎不变的情况;其次,在密封时可以考虑用硅胶将线圈接线部分进行灌胶封装,这样可以减少飞机起飞和降落时震动对传感器的影响,延长使用寿命和增加测量精度。
3差动变压器式角位移传感器的实际参数及曲线
根据上述新型差动变压器式角位移传感器结构和铁心原理,研制了一个测量飞机操纵杆角位移变化的传感器,角度变化范围是0°～130°。由于考虑到在飞机上应用对传感器的体积和重量有一定要求,但是又要保证其工作的性能和可靠性,所以基准变压器的初、次级绕组都选择0.08mm的铜漆包线,两个调压线圈使用0.12mm的铜漆包线,其它相关设计参数如表1所示。
表1 传感器设计参数
输入电压
26V(DC)/400Hz
[1**********].6～4.2V
4结 语
差动变压器式角位移传感器与其他种类的角位移传感器相比,具有结构简单、可靠性高、使用寿命
长、线性度好、价格合理等特点,并且已经应用于多个领域。此设计的差动变压器式角位移传感器完全满足设计要求,可以对飞机操纵杆进行精确测量。有理由相信,随着技术的发展和工艺的提高,差动变压器式角位移传感器的应用将有更广阔的空间。参考文献
[1] 马青,史金飞.基于LVDT原理的精密角位移传感器的研制
[J].中国制造业信息化,2003,32(12):124.
[2] 严钟豪,谭祖根.非电量电测技术[M].北京:机械工业出版
社,1999:74.
[3] 刘爱华,满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京:中国人民
邮电出版社,2006:68.
一
种新型差动变压器式角位移传感器
基准变压器初级线圈匝数基准变压器次级线圈匝数
调压次级线圈匝数输出电压范围
作者简介:孟武胜(1960-),男,副教授,博士,研究方向为现代飞机电源系统、先进民用飞机的关键维修技术、计算机测试控制系统、机电系统的故障检测与诊断、电机运行理论以及机载高密度导弹内挂及发射等领域。
但是由于实际存在线圈寄生电容及衔铁损耗等干扰因素,所以在固定基准变压器初级线圈匝数不变的情况下,若要获得与设计相符的输出电压就需要加大基准变压器次级线圈和调压次级线圈的匝
数
。如表2所示。
34
D
设计分析 esignandanalys 2010年第8期
一种新型差动变压器式角位移传感器
孟武胜,苗溢文,董 蓉
(西北工业大学,陕西西安710072)
摘 要:指出了传统角位移传感器结构复杂、工艺要求高、对环境要求高、使用寿命短、测量精度低等不足,并且介绍了一种新型结构的差动变压器式角位移传感器的原理,按照该原理研制出的传感器有效地避免了传统角位移传感器的不足,并给出了输出特性曲线。
关键词:差动变压器;角位移传感器;互感系数
中图分类号:TM38 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2010)08-0032-03
ANewDifferentialTransformer-TypeAngularDisplacementSensor
MENGWu-sheng,MIAOYi-wen,DONGRong(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China)
Abstract:Shortagesoftraditionalangulardisplacementsensorswerepointedout,suchascomplexstructure,highde-mandonenvironmentandtechnology,shortworkinglife,lowprecision,andtheprincipleofanewstructureofdifferentialtransformer-typeangulardisplacementsensorswasintroduced.Accordingtotheprinciple,thedevelopedsensoreffectivelyavoidsshortagesoftraditionalangulardisplacementsensor,andgivestheoutputcharacteristiccurve.
Keywords:differentialtransformer;angulardisplacementsensor;coefficientofmutualinductance
0引 言
在各种工程实践和应用系统中,角位移是重要的被检测量,因此能否对角位移做精确地检测,就显得格外有意义。
角位移传感器的种类很多,有编码盘式、光栅式、感应同步器式以及电位器式、电感式、电容式、霍尔式、激光式等,但这些传感器在实际应用中都存在着一些问题,有的设备复杂、成本高;有的对环境要求高;有的精度低、线性范围小;有的结构复杂、工艺要求高
[1]
由于在使用时采用两个二次绕组反向串接,以差动
方式输出,所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器,通常简称差动变压器。在理想状态下,即忽略线圈寄生电容及铁心损耗的状态下,差动变压器的等效电路如图1所示。
。
图1 差动变压器等效电路图
差动变压器式角位移传感器是角位移测量中常用的一种传感器,与其他角位移传感器相比,其优点
一种新型差动变压器式角位移传感器
在图1中,e1是初级线圈的激励电压,e2是次级线圈的感应电压;L1、R1分别是初级线圈的电感和电阻;M1、M2分别是初级线圈与次级线圈1、2之间的互感;L21、L22和R21、R22分别是次级线圈1、2的电感和电阻。I1为初级线圈中的电流。
根据变压器工作原理为:
·
·
[2]
·
有:结构简单,工艺要求低,
具有无限分辨率、测量精度高、使用寿命长等特点。本文根据差动变压器原理,介绍了一种新型差动变压器式角位移传感器的
工作原理,并且阐述了设计时需要注意的问题。
1差动变压器原理
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化,即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
收稿日期:2009-10-20
,次级线圈的感应电势
E-jωM21=1I1
·
E-jωM22=2I1
·
·
·
输出电势为:
·
·
EE-jω(MMI2=E21-22=1-2)1
当铁心在中间位置时,若两个次级线圈参数及磁
32
改稿日期:2009-11-25
2010年第8期
D
设计分析 esignandanalys路尺寸相等,则MMM,所以E0;当铁心偏离1=2=2=中间位置时,MM+1≠M2,由于差动作用,所以M1=ΔMM-ΔM化。1,M2=2,近而感应电动势E2变
在一定范围内,ΔM=ΔMΔMM1=2,其差值(1-M与铁心位置成一定比例,在负载开路情况下,输2)
出电势为:
·
·
级线圈与基准变压器初级线圈之间的互感系数,最终引起输出电压在基准变压器输出电压值上下变化。2
.2铁心原理
轴的形状及尺寸如图4所示,槽的长度为h,深度即轴体半径为r。初始位置保持槽面水平,右侧槽向上,左侧向下。旋转方向为顺时针方向。
E1
E=-jω(M-M)I=-2jΔM21
21
RjωL1+1
·
·
图4 轴的基本尺寸
根据法拉第电磁感应定律,左侧调压线圈、基准变压器次级线圈、右侧调压线圈的感应电动势分别
图2 差动变压器的输出特性
为:
dψ1
E=-jωψ-jωN21=1=21Υ1
dt
·
dψ2
E=-jωψ-jωN22=2=22Υ2
dt
·
dψ3
E=-jωψ-jωN23=3=23Υ3
dt
·
差动变压器的输出特性曲线如图2所示。图
·
中,x表示衔铁偏离中心位置的距离;E2为差动输出
电动势,其中实线部分表示实际输出特性,而虚线部分表示理想输出特性;Uz为零点残存电压
[3]
。
2新型差动变压器式角位移传感器的原理
2.1内部结构
如果差动变压器的铁心可以跟随角位移的方向同步旋转,并且在其旋转过程中改变初级线圈和次级线圈之间的互感,进而改变感应电动势,最终就可以测量角位移。
此传感器结构如图
3所示,其主要组成部分有(自下而上):铁心柱、套在铁心柱的三个线圈、传感器的轴即铁心的铁轭,其他部分还有传感器壳体、导线、接口、轴承等。
式中:N基准变压器21、N22、N23分别为左侧调压线圈、次级线圈、右侧调压线圈的匝数;Υ1、Υ2、Υ3和ψ1、ψ2、ψ3分别为穿过左侧调压线圈、基准变压器次级
线圈、右侧调压线圈的磁通量和磁通链数。
根据磁路定理,磁路的磁通:
ΥN1I
RRRX+Y+
式中:R分别为铁心磁阻、衔铁磁阻、气隙磁X、RY、R阻。因为铁心、衔铁的磁导率远远大于空气的磁导率,所以:
RRX+Y RΥN1I
R
一种新型差动变压器式角位移传感器
当半圆柱旋转到轴的下半部分,且距离轴心距
图3 新型差动变压器式角位移传感器基本结构
离大于r∈(01时,可以形成闭合磁路,转动角度为θ～π)。
R21=2
r0
2lrdr1
μπ-θ)rhμ(π-θ)0(0h
此种传感器的轴并不是完整的圆柱体,而是在与铁心柱两侧柱子所对应的位置上,各切去半圆柱槽,并且槽口方向相反。槽的长度应该在槽口向下时尽量把两个相邻线圈间的磁路切断。这样传感器的轴就分为三个部分,对应这三个部分,分别有三个线圈套固定在传感器壳体的铁心柱上,两边的线圈可称为调压次级线圈;中间的线圈由两层线圈组成,即组成一个变压器称为基准变压器。在基准变压器内侧是初级绕组,外侧是次级绕组。基准变压器上的次级绕组与两个调压次级线圈分别正、反接,这样就可以通过传感器轴的旋转角度,改变两侧调压次
r1
r0
R23=2
r1
r0
r0
2lr1drμrhμθ0θ0h
R右调压线圈与铁心和衔铁耦合的21、R23分别是左、气隙磁阻。由于基准变压器的初、次级线圈同时缠绕在一个铁心上,并且通过基准变压器的初次级线圈的磁通分别通过左、右调压线圈(相当于R21和R,所以有:23并联)
33
D
设计分析 esignandanalysR21R23
R22RR21+23
2010年第8期
表2 传感器实际参数
基准变压器初级线圈匝数基准变压器次级线圈匝数
调压次级线圈匝数输出电压范围
[1**********].62～4.19V
穿过左侧调压线圈、基准变压器次级线圈、右侧调压线圈的磁通量分别为:
Υ1Nμ(π-θ)N1I0h1I
Rr210
2lr1
图5为实验测得的新型差动变压器式角位移传感器的输出曲线,由图可看出,此设计的传感器线性度好,输出稳定,完全可以满足实际应用的要求。
μπN0h1I
ΥΥ2=Υ1+3r0
2lr1
NμθN1I0h1I
Υ3Rr230
2lr1
输出电动势:
·
·
·
·
图5 差动变压器式角位移传感器输出曲线
EEE2=21+E22-23=
jωμN0h1I
[(NNπ-(NNθ]21+22)21+23)r0
2lr1
由上式表明,输出电动势E2与轴所转过角度θ之间是线性的,这也就是此款传感器的铁心设计原理。
在制造差动变压器式角位移传感器时,首先值
得注意的是铁心柱、轴、线圈要尽量配合紧密,这样能保证磁路的闭合。如果间隙较大将导致调压范围减小,甚至输出电压几乎不变的情况;其次,在密封时可以考虑用硅胶将线圈接线部分进行灌胶封装,这样可以减少飞机起飞和降落时震动对传感器的影响,延长使用寿命和增加测量精度。
3差动变压器式角位移传感器的实际参数及曲线
根据上述新型差动变压器式角位移传感器结构和铁心原理,研制了一个测量飞机操纵杆角位移变化的传感器,角度变化范围是0°～130°。由于考虑到在飞机上应用对传感器的体积和重量有一定要求,但是又要保证其工作的性能和可靠性,所以基准变压器的初、次级绕组都选择0.08mm的铜漆包线,两个调压线圈使用0.12mm的铜漆包线,其它相关设计参数如表1所示。
表1 传感器设计参数
输入电压
26V(DC)/400Hz
[1**********].6～4.2V
4结 语
差动变压器式角位移传感器与其他种类的角位移传感器相比,具有结构简单、可靠性高、使用寿命
长、线性度好、价格合理等特点,并且已经应用于多个领域。此设计的差动变压器式角位移传感器完全满足设计要求,可以对飞机操纵杆进行精确测量。有理由相信,随着技术的发展和工艺的提高,差动变压器式角位移传感器的应用将有更广阔的空间。参考文献
[1] 马青,史金飞.基于LVDT原理的精密角位移传感器的研制
[J].中国制造业信息化,2003,32(12):124.
[2] 严钟豪,谭祖根.非电量电测技术[M].北京:机械工业出版
社,1999:74.
[3] 刘爱华,满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京:中国人民
邮电出版社,2006:68.
一
种新型差动变压器式角位移传感器
基准变压器初级线圈匝数基准变压器次级线圈匝数
调压次级线圈匝数输出电压范围
作者简介:孟武胜(1960-),男,副教授,博士,研究方向为现代飞机电源系统、先进民用飞机的关键维修技术、计算机测试控制系统、机电系统的故障检测与诊断、电机运行理论以及机载高密度导弹内挂及发射等领域。
但是由于实际存在线圈寄生电容及衔铁损耗等干扰因素,所以在固定基准变压器初级线圈匝数不变的情况下,若要获得与设计相符的输出电压就需要加大基准变压器次级线圈和调压次级线圈的匝
数
。如表2所示。
34