冗余差動變壓器式位移傳感器設(shè)計技術(shù)研究

余 菲，任海燕，楊 明，胡曉萍，朱廷偉

(北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引言

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)對位移傳感器的需求量也不斷上升，同時要求位移傳感器不斷的進行技術(shù)革新，對位移傳感器產(chǎn)品提出了較高精度、高可靠性及耐惡劣環(huán)境條件能力要求，以適應(yīng)全彈(箭)飛行中的惡劣環(huán)境下的使用需求。差動變壓器式位移傳感器具有小型化、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、壽命長、環(huán)境適應(yīng)能力強及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在航天伺服系統(tǒng)中廣泛使用，將位移信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號, 用于伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制。

航天伺服系統(tǒng)可靠性要求比較高，現(xiàn)有的差動變壓器式位移傳感器單點失效環(huán)節(jié)較多，難以滿足要求，為此，設(shè)計了一種全新的串聯(lián)雙冗余差動變壓器式位移傳感器，以滿足伺服系統(tǒng)高可靠性技術(shù)要求。

根據(jù)系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)特點，對位移傳感器進行了串聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，對冗余結(jié)構(gòu)所帶來的信號耦合解偶及線性補償技術(shù)難題進行了技術(shù)攻關(guān)，提高了產(chǎn)品精度及可靠性，滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

1 差動變壓器式位移傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 差動變壓器式位移傳感器工作原理

差動變壓器式傳感器是采用變壓器原理，將被測量的位移量變化轉(zhuǎn)換成線圈的互感變化，通過電路轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，傳感器本身為一個變壓器，由初級線圈、兩個次級線圈和活動鐵芯等組成，由于兩個次級線圈按電勢反向串聯(lián)方式連接，即以差動方式輸出，故稱為差動變壓器式位移傳感器。當忽略差動變壓器的渦流損耗、磁滯損耗和分布電容的影響，差動變壓器可以看成一個理想的模型,其等效電路見圖1。圖中e1為初級線圈勵磁電壓，M1、M2為初級線圈和兩個次級線圈之間的互感，e21和e22為兩個次級線圈的感應(yīng)電動勢,L1、R1分別為初級線圈的電感和電阻，L21，L22分別為兩個補償線圈的電感，R21，R22分別為兩個補償線圈的電阻。

圖1 差動變壓器式位移傳感器等效電路圖

根據(jù)變壓器原理，初級繞組接入交流電源之后，由于互感作用，兩個次級繞組分別產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢e21和e22。當兩個次級線圈按電勢相反的方向串聯(lián)連接時，次級線圈中就產(chǎn)生一個與鐵芯位移量成線性函數(shù)關(guān)系的電壓。當鐵芯處于兩次級線圈中間位置時，兩次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢大小相等，方向相反，輸出電壓為零；當鐵芯偏離中間位置時，兩次級線圈之間的互感發(fā)生變化，兩者的感應(yīng)電勢不再相等，輸出與位移量成比例的電壓信號[1-2]，具體分析如下：

根據(jù)變壓器原理，兩個次級線圈感應(yīng)電勢分別為:

(2)

輸出電勢為:

(3)

當鐵芯偏離中心位置時，M1≠M2,由于差動作用，所以:

M1=M+ΔM

(4)

M2=M-ΔM

(5)

在一定范圍內(nèi)，差值(M1-M2)與鐵芯位移成正比，在負載開路情況下，輸出電勢為：

(6)

位移傳感器在工作時，可通過測量輸出電壓的變化判斷出鐵芯位置的變化進而確定鐵芯的位移量。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本文研制的雙冗余位移傳感器主要由鐵芯組件、線圈組件Ⅰ、線圈組件Ⅱ、殼體、屏蔽罩、隔環(huán)及端蓋等部分組成，如圖2所示。為了滿足電反饋伺服作動器的高可靠性要求，同時適應(yīng)作動器作動器安裝位置狹小的空間限制，位移傳感器采用串聯(lián)冗余方式，通過端蓋將兩個線圈組件固定在殼體內(nèi)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，兩個線圈組件的幾何尺寸和電氣參數(shù)完全相同，通過采用階梯補償繞制方案，能夠保證產(chǎn)品在行程范圍內(nèi)的線性度。線圈組件、鐵芯組件及屏蔽罩構(gòu)成磁場回路，兩鐵芯間用不導磁的導桿串聯(lián)而成，兩線圈組件間采用隔環(huán)將兩線圈分開，減小兩線圈間磁場的相互干擾。當鐵芯組件往復(fù)運動時，兩線圈組件各自獨立輸出，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)串聯(lián)、功能并聯(lián)的緊湊型雙冗余高可靠的位移量測量功能。

圖2 雙冗余位移傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)研究

雙冗余差動變壓器式位移傳感器采用了雙線圈組件串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，由兩個功能相對獨立的線圈組件、一個鐵芯組件(含兩個鐵芯零件，通過螺紋連接方式與無磁不銹鋼材料連接)、屏蔽罩、隔環(huán)、殼體及端蓋等構(gòu)成。提高與改善傳感器的性能的技術(shù)途徑主要有結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇，穩(wěn)定性處理，屏蔽、隔離與干擾抑制，補償與修正等。為滿足伺服系統(tǒng)高精度及高可靠性要求，進一步改善和提高位移傳感器的性能，對傳感器進行設(shè)計技術(shù)研究主要包含以下方面：

1) 雙冗余線圈繞制方法研究，保證傳感器高精度要求；

2) 防干擾解耦設(shè)計研究，保證傳感器輸出精度；

3) 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計研究，保證傳感器可靠性要求。

4) 專用變換電路設(shè)計研究，減小位移傳感器磁路耦合干擾對輸出信號造成的影響。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

3.1 雙冗余線圈繞制方法

為滿足位移傳感器的雙冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計需求和全行程高精度要求，將位移傳感器的線圈組件設(shè)計為兩個線圈組件的串聯(lián)方式，并在有限的徑向安裝尺寸下，采用階梯型補償繞制方案保證傳感器在全行程范圍內(nèi)的高精度要求。具體實現(xiàn)方式為：單個繞線窗口設(shè)計為59mm，將長徑比縮短為1.78，傳感器長徑比很小，采用傳統(tǒng)的平行繞制法，由于線圈兩端的磁場發(fā)散及內(nèi)部磁場的不均勻性，即在傳感器零位位置兩端較小范圍內(nèi)磁場較為穩(wěn)定，在該區(qū)域傳感器輸出變化穩(wěn)定，為傳感器線性區(qū)域；在遠離零位位置區(qū)域，由于該位置磁場發(fā)散且不均勻，故該區(qū)域為非線性區(qū)域，一般差動變壓器式位移傳感器的線性工作范圍約為線圈總長度的1/4～1/5，傳感器輸出特性曲線如圖3所示，其線性范圍X較小，無法滿足傳感器全行程高精度要求。

圖3 LVDT線性測量范圍曲線

為滿足位移傳感器線性度不高于0.5%的要求，必須在有限的繞制空間中進一步擴大位移傳感器的線性范圍，采用線圈階梯補償繞法對曲線中非線性范圍內(nèi)的各點進行補償，兩次級線圈中間部位線圈纏繞較少，兩端線圈纏繞較多，形成階梯結(jié)構(gòu)，對傳感器非線性范圍進行補償，可以有效地增大傳感器的線性范圍。

利用MAWELL電磁仿真軟件對本位移傳感器進行電磁性能仿真，基本過程主要包括以下幾個步驟：合理簡化、建立幾何模型，根據(jù)實際指定材料屬性，設(shè)置邊界條件，添加激勵源，劃分網(wǎng)格，設(shè)置求解和后處理操作。對本次設(shè)計的位移傳感器進行建模，如圖4所示。

圖4 傳感器二維模型結(jié)構(gòu)圖

在實際生產(chǎn)中，需多次改變次級線圈的補償方案來獲得最好的線性度，多次試制浪費了時間和成本，影響了產(chǎn)品的交付進度。為提高設(shè)計效率，快速優(yōu)化補償方案，提高傳感器線性度，現(xiàn)利用Maxwell電磁仿真軟件的參數(shù)化掃描功能對位移傳感器在不同補償方案進行計算，分析其電磁場的分布。但如果對每層線圈的長度都進行全程掃描，計算結(jié)果會異常龐大。為提高計算效率，避免不必要的計算過程、浪費資源和時間，結(jié)合位移傳感器補償線圈的階梯形狀，有針對性的選擇補償線圈尺寸范圍進行掃描(設(shè)定次級線圈繞制層數(shù)為6層)，過程如圖5所示。

圖5 對次級線圈尺寸進行參數(shù)化掃描

對模型結(jié)合圖5中的參數(shù)化掃描功能，經(jīng)仿真計算后，提取感應(yīng)電壓進行分析。經(jīng)過一系列篩選，選取感應(yīng)電壓有效值與位移輸出特性最好時的線圈尺寸，得到最好的補償方案如表1所示。該尺寸下傳感器的仿真精度為0.075%。

表1 利用參數(shù)掃描得到的線圈尺寸

通過仿真模擬及線圈試制，確定傳感器階梯補償位置參數(shù)，改善了傳感器輸出特性曲線，擴大了線性范圍，保證了傳感器全行程范圍內(nèi)高精度要求。

3.2 防干擾解耦設(shè)計

位移傳感器設(shè)計有兩個線圈組件、兩個屏蔽罩及兩個鐵芯(鐵芯間通過不導磁材料連接)，形成了兩個磁場回路，由于兩線圈組件串聯(lián)排布，線圈組件Ⅰ、線圈組件Ⅱ兩路電磁信號間容易發(fā)生磁路耦合干擾，使兩路線圈輸出信號因磁路耦合干擾而造成輸出紋波增大，影響位移傳感器的精度，故需對位移傳感器進行防干擾解耦設(shè)計。

為降低磁路耦合干擾對傳感器輸出特性造成的影響，圖2中，兩個線圈外均設(shè)計有屏蔽罩和短路環(huán)，屏蔽罩和短路環(huán)的材料為1J50軟磁合金材料，該材料具有高磁導率、高飽和磁感應(yīng)強度特點，廣泛應(yīng)用于位移傳感器設(shè)計中，兩線圈的磁場在屏蔽罩和短路環(huán)的作用下相對獨立的封閉在各自的空間內(nèi)；通過在兩串聯(lián)線圈組件間設(shè)計一個非金屬不導磁的隔環(huán)，來進一步隔離左右兩個磁場回路，使線圈組件Ⅰ、線圈組件Ⅱ的線圈磁場互不干擾。磁場分布示意圖如圖6所示，兩路磁場回路間的磁場干擾被有效的降低，減小了傳感器信號輸出紋波。

圖6 磁場回路分布示意圖

通過分析變換后的直流信號交流分量，由于兩路變換器使用的變換器激磁信號頻率總有些微小差異，其差頻信號難以被變換電路的濾波器濾掉，導致輸出紋波較大，故設(shè)計了兩路不同激磁頻率的變換電路，使其差頻足夠大，便于被濾波器濾掉，使輸出紋波進一步被降低。具體參見3.4節(jié)。

3.3 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計

位移傳感器采用兩線圈組件串聯(lián)而成，線圈組件Ⅰ中引出線需通過隔環(huán)及線圈組件Ⅱ引線槽后從端蓋中心孔處引出，由于裝配時線圈組件Ⅱ受摩擦力影響發(fā)生轉(zhuǎn)動，使其與線圈組件Ⅰ之間存在相對微小的轉(zhuǎn)角，可能會對線圈組件Ⅰ的引出線造成損傷進而出現(xiàn)斷路情況引起傳感器失效。

為避免兩個串聯(lián)線圈組件之間的相對轉(zhuǎn)動而導致引出線出現(xiàn)的潛在斷線故障，設(shè)計了骨架的防扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，防止兩串聯(lián)線圈組件出現(xiàn)相對運動，提高了電氣連接可靠性。如圖7所示：兩個骨架體前端各設(shè)計有一個凸臺，在裝配時互相搭接，兩骨架通過此種方式相互限位，避免了兩骨架間出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，保護傳感器引出線。

圖7 防扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)骨架裝配圖

3.4 位移變換電路設(shè)計

為保證位移傳感器高精度要求，同時減小位移傳感器雙路線圈組件間的磁路耦合干擾對傳感器輸出造成的影響，設(shè)計了位移傳感器專用變換電路。

為了減小激磁頻率對產(chǎn)品性能的影響，變換電路核心芯片采用AD698，在外圍電路上設(shè)計有傳感器靈敏度調(diào)整電路及二階濾波電路，其原理為：由兩路核心器件(AD698)分別為兩個線圈組件提供不同頻率的激磁信號，激磁信號經(jīng)傳感器調(diào)制后，傳感器輸出信號經(jīng)靈敏度調(diào)節(jié)電路調(diào)整，通過AD698電路進行解調(diào)、濾波及放大處理，為了降低輸出紋波同時滿足系統(tǒng)動態(tài)要求，再經(jīng)過有源二階濾波電路進行濾波，最終輸出一個與位移信號成比例的電壓信號送伺服系統(tǒng)完成閉環(huán)控制。位移變換電路如圖8所示,用雙失調(diào)調(diào)整端代替單失調(diào)調(diào)整端,偏置電壓與電源電壓無關(guān),通過并聯(lián)高精度電阻快速精確調(diào)整輸出信號零位；采用全差動運放代替反向放大器,有效抑制共模干擾,提高了電路的抗干擾能力；采用兩級放大倍數(shù)調(diào)節(jié)模式,實現(xiàn)輸出信號的大范圍和高精度幅值調(diào)整；通過外接無源元件確定激磁頻率和幅值，激磁頻率和幅值由電阻和電容分別決定，提高了激磁頻率和幅值的穩(wěn)定度。

圖8 位移變換電路

圖中，U2及U3運算放大器及外圍電路構(gòu)成傳感器靈敏度調(diào)節(jié)電路及二階濾波電路。為減小位移傳感器雙路線圈組件間的磁路耦合干擾對傳感器輸出造成的影響，通過理論分析及試驗驗證，將兩路位移變換電路的激磁頻率設(shè)計為不同頻率信號。經(jīng)計算確定了二階濾波電路電容參數(shù)，使傳感器輸出紋波滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

同時，AD698芯片采用±15 V供電，系統(tǒng)提供的±15 V電源為二次變換電源，具有一定干擾抑制能力，電源電壓相對比較穩(wěn)定，考慮到傳感器輸出紋波要求較小，故電路上設(shè)計了LC電源濾波電路，如圖9所示。

圖9 電源濾波電路

圖10 產(chǎn)品測試結(jié)果圖

由圖9所示，系統(tǒng)提供的±15 V電源經(jīng)過LCπ型濾波電路，濾波電容由大到小，分別對輸入電源的高頻、中頻及低頻干擾進行抑制。輸入端電容采用了200 V的高耐壓電容，提高位移變換電路的抗電壓脈沖沖擊能力。

4 產(chǎn)品測試結(jié)果

通過對產(chǎn)品雙冗余線圈繞制方法、防干擾解耦設(shè)計、結(jié)構(gòu)可靠性及位移電路變換裝置設(shè)計技術(shù)進行攻關(guān)，試制了3套產(chǎn)品與適配變換電路進行了測試，試驗數(shù)據(jù)如圖10所示，產(chǎn)品線性度均小于1‰，輸出紋波為20 mV左右，性能指標能夠滿足伺服系統(tǒng)使用要求。

5 結(jié)論

本文論述了一種串聯(lián)雙冗余差動變壓器式位移傳感器，用于測量伺服作動器位移并參與系統(tǒng)閉環(huán)控制。位移傳感器采用兩個線圈組件串聯(lián)排布，兩路位移信號獨立輸出，通過對產(chǎn)品進行雙冗余線圈繞制方法、防干擾解耦設(shè)計、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計及專用變換電路設(shè)計，使產(chǎn)品在有限的安裝空間下，滿足了高精度及高可靠性要求，同時解決了線圈組件間的干擾問題，滿足了伺服系統(tǒng)使用要求。

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