淺談磁阻式角位移傳感器溫度誤差及補償

苗 偉

（陜西東方航空儀表有限責任公司，陜西漢中723102）

0 引言

磁阻式角位移傳感器是將機械角位移轉(zhuǎn)換成與輸入角度成函數(shù)關(guān)系的電壓輸出器件，按其工作原理分為三大類：（1）將角度變化量的測量轉(zhuǎn)換為電阻變化測量的變阻器式角位移傳感器；（2）將角度變化量的測量轉(zhuǎn)換為電容變化的電容式角位移傳感器；（3）將角度變化量的測量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢變化量測量的磁阻式角位移傳感器。

磁阻式角位移傳感器基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，采用電磁耦合方式，實現(xiàn)非接觸式設(shè)計，具有分辨率高、可靠性高的特點。

磁阻式角位移傳感器的精度通常都是在標準溫度（20±5）℃的條件下標定的，但角位移傳感器實際工作環(huán)境溫度往往由低溫負幾十度變化到高溫上百度。磁阻式角位移傳感器采用激磁繞組與輸出繞組進行電磁耦合，從而將機械角位移的機械量轉(zhuǎn)換為模擬電壓量輸出，由于繞組線圈的存在，導(dǎo)致磁阻式角位移傳感器靜態(tài)特性與環(huán)境溫度影響密切相關(guān)。因此需要研究一種高低溫環(huán)境下對角位移傳感器輸出精度的補償方法，使其滿足工程應(yīng)用指標。

1 磁阻式角位移傳感器輸出特性及溫度誤差產(chǎn)生原因分析

磁阻式角位移傳感是一個四極式角位移微動同位器，其定子上有四個磁極，轉(zhuǎn)子上有兩個磁極。如圖1所示，定子磁極上繞有一個激磁繞組和兩個輸出繞組，兩個輸出繞組匝數(shù)相等，串聯(lián)后通過導(dǎo)線輸出，當轉(zhuǎn)子相對定子處于結(jié)構(gòu)零位時，由于轉(zhuǎn)子的磁極與相對定子磁極之間氣隙磁阻相等，故兩個輸出線圈的感應(yīng)電勢大小相等、方向相反，互相抵消后輸出電壓為零。當轉(zhuǎn)子偏離結(jié)構(gòu)零位時，由于轉(zhuǎn)子與定子磁極之間氣隙磁阻的變化，使得兩個線圈的感應(yīng)電勢一個增大，一個減小，其差值就是產(chǎn)品的輸出電壓。

圖1 磁阻式角位移傳感器原理圖

磁阻式角位移傳感器受溫度影響主要是輸出繞組線圈感應(yīng)電動勢降低，在輸出繞組線圈匝數(shù)沒有發(fā)生變化的情況下，感應(yīng)電勢降低的主要原因是通過輸出線圈的磁通量減小。因此，單向分析高溫下磁通量的變化情況，可知磁通量在高溫下減小的主要原因為激磁線圈繞組的阻抗在高溫環(huán)境下增大，在激磁電壓不變的條件下，激磁線圈繞組電流減小，從而導(dǎo)致激磁繞組的磁通量減小。在磁路環(huán)境不變的情況下，激磁磁通減小則導(dǎo)致通過輸出線圈的磁通量減小，從而使輸出繞組感應(yīng)電勢減小。而在同一輸入角度，根據(jù)L=匝數(shù)2/磁阻可知，產(chǎn)品的感抗不發(fā)生變化。

因此，導(dǎo)致磁阻式角位移傳感器在高溫下輸出電壓減小的主要原因為激磁線圈直流電阻受溫度影響而增大。

2 溫度誤差補償?shù)脑砑胺椒?/h2>

2.1 溫度補償原理

設(shè)被測物理量為x，環(huán)境溫度為T，則磁阻式角位移傳感器的輸出y為：

式（1）表明，角位移傳感器的輸出不僅與被測量有關(guān)，還與環(huán)境溫度有關(guān)，如果角位移傳感器的輸出y與被測量x為非線性關(guān)系，其函數(shù)式為：

則磁阻式角位移傳感器的溫度靈敏度ST為：

若忽略x的高次項，則ST可簡化為：

式中，表示角位移傳感器的輸出零點隨溫度的變化程度，其大小反映了傳感器靜態(tài)特性參數(shù)的溫漂大小表示傳感器的輸出特性曲線受溫度影響的情況?？梢姡粢郎囟葘鞲衅鞯挠绊?，必須滿足：

因此，式（5）就是磁阻式角位移傳感器的溫度補償條件。

2.2 溫度補償方法

磁阻式角位移傳感器溫度補償方法很多，這里介紹一種并聯(lián)式溫度補償方法，即人為地附加一個溫度補償環(huán)節(jié)，如圖2所示，該補償環(huán)節(jié)與被補償環(huán)節(jié)并行相連，使補償后的合成輸出特性基本不隨環(huán)境溫度變化。

圖2 并聯(lián)式溫度補償

圖2 中，被補償部分輸出特性為：

補償部分輸出特性為：

由圖2可以得到總輸出y1與輸入x、溫度T的增量表達式：

可見，為達到溫度補償?shù)哪康模瑧?yīng)按照下列條件選擇溫度補償環(huán)節(jié)的參數(shù)：

從式（9）可以看出，如果令A(yù)1（T）=A1′（T），則測量靈敏度可以提高一倍。

根據(jù)以上分析，針對磁阻式角位移傳感器高低溫誤差變化較大的現(xiàn)象，采用并聯(lián)式溫度補償法。通過在其激磁端繞組中增加負溫度系數(shù)的熱敏電阻，來補償輸出繞組感應(yīng)電動勢的降低。

2.3 實驗驗證

為驗證繞組在高溫環(huán)境下直流電阻值的變化，通過對角位移傳感器進行150℃高溫環(huán)境下輸出電壓及直流電阻的測量，發(fā)現(xiàn)當角位移傳感器溫度達到平衡后，輸出電壓降低90 mV左右，激磁繞組的直流電阻值由原來的90 Ω增加到126 Ω，輸出繞組的直流電阻值由原來的286 Ω增加到397 Ω。在-55℃的低溫箱，使其溫度達到平衡后，輸出電壓升高80 mV左右，激磁端直流電阻值由原來的90 Ω減小到65 Ω，輸出直流電阻由原來的286 Ω減小到220 Ω。

實驗驗證情況進一步證明了影響磁阻式角位移傳感器在高低溫環(huán)境下輸出電壓精度的主要原因是漆包線繞組在高低溫環(huán)境下直流電阻阻值的變化。通過對該型角位移傳感器在高低溫條件下繞組阻值進行分析，對激磁繞組補償約30 Ω即可滿足繞組感應(yīng)電勢的要求，而通過對熱敏電阻進行分析論證，由于熱敏電阻在-55～+150℃范圍內(nèi)阻值變化率較大，因此需將熱敏電阻與精密電阻并聯(lián)后用于線圈繞組感應(yīng)電勢的補償。經(jīng)實驗驗證，在高低溫環(huán)境下，進行并聯(lián)溫度補償?shù)慕俏灰苽鞲衅骶葷M足不大于0.3°的工程應(yīng)用指標。

3 結(jié)語

本文針對磁阻式角位移傳感器高低溫誤差變化較大的問題，分析了磁阻式角位移傳感器輸出特性，通過數(shù)據(jù)模型的建立，論述了采用并聯(lián)式溫度補償?shù)姆椒?，來補償磁阻式角位移傳感器感應(yīng)電動勢的降低，使其滿足工程應(yīng)用要求。

[1]張西濤.某電傳飛控系統(tǒng)角位移傳感器設(shè)計優(yōu)化[J].測控技術(shù)，2013，32（12）：9-12.