空間強(qiáng)約束條件下電渦流傳感器特性影響分析

陳 陽,呂 勇,劉力雙

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192)

0 引言

快速控制反射鏡(fast steering mirror,FSM),簡稱快反鏡[1-3]。其基本原理是通過音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)反射鏡控制光束偏轉(zhuǎn)的角度從而進(jìn)行位移測量?？旆寸R具有較快的響應(yīng)速度、較高的精度及帶寬等優(yōu)點(diǎn)[4]。隨著關(guān)鍵技術(shù)不斷被突破,性能被提高,應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。作為精密跟蹤與瞄準(zhǔn)的重要組成部分,快反鏡可以精準(zhǔn)控制光束指向,在空間激光通信、激光跟蹤、光學(xué)掃描、光電穩(wěn)定跟瞄和空間探測等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用[5-10]。其中快反鏡的指向精度受內(nèi)部位移傳感器的測量精度影響,多采用電渦流傳感器。

電渦流傳感器是一種常用的非接觸式位移傳感器[11],能夠較精準(zhǔn)測量出被測物和測頭之間的相對位移變化。其具有較好的工作可靠性、較寬的測量范圍、較高的靈敏度和分辨率等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在快速控制反射鏡中,用來測量角度、位移的變化。但是,電渦流傳感器在使用過程中其精度仍會受到非線性和溫度漂移的影響[12],為此,邱建東等用COMSOL有限元法研究了電渦流傳感器內(nèi)線圈的激勵(lì)頻率、線圈直徑以及測頭和被測面之間的提離距離等參數(shù)對測量結(jié)果的影響[13]。崔奇等提出差動(dòng)式電渦流傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究,提高傳感器的靈敏度與精度[14-17]。V.Chaturvedi等利用仿真軟件研究了在偽差分渦流傳感器的電路設(shè)計(jì)中加入自激振蕩電路后改善傳感器漂移的情況[18]。H.Y.Wang用電渦流傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)金屬板防水渦流調(diào)高系統(tǒng),主要介紹了電渦流傳感器的檢測電路和晶體振蕩電路設(shè)計(jì)方法和基本的電路原理[19]。H.Tsuboi等通過改善多組勵(lì)磁線圈的分布,獲得更高的檢測靈敏度[20]。J.G.Vogel等設(shè)計(jì)了將線圈屏蔽的電渦流傳感器,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)可以讓傳感器獲得更高的靈敏度[21]。

電渦流傳感器的靈敏度和線性度是重要的性能指標(biāo),除線圈幾何參數(shù)、激勵(lì)頻率和提離距離直接影響傳感器的靈敏度,快反鏡內(nèi)部空間受限的強(qiáng)約束條件對渦流傳感器參數(shù)指標(biāo)也起重要的作用。因電渦流傳感器在使用時(shí)需要滿足一定條件,金屬被測物是圓軸且測頭中心線與軸心線正交時(shí),被測面半徑大于等于測頭半徑的3倍。所以在快反鏡逐步小型化、智能化、集成化的發(fā)展過程中,快反鏡內(nèi)部的電渦流傳感器會出現(xiàn)空間強(qiáng)約束的情況,即渦流傳感器測頭、被測物的空間被音圈電機(jī)或柔性支撐擠壓,不能滿足被測面半徑為3倍測頭半徑,導(dǎo)致傳感器的測量性能發(fā)生變化。研究金屬被測物半徑大小對電渦流傳感器測量結(jié)果的影響,對更高參數(shù)的小型化快反鏡設(shè)計(jì)尤為重要。

1 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 快反鏡的結(jié)構(gòu)及原理

快反鏡主要由電渦流傳感器、反射鏡、音圈電機(jī)、柔性支撐、主體支撐組成。其中電渦流傳感器可以用來測量反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度;音圈電機(jī)可以為快反鏡提供驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)鏡面偏轉(zhuǎn)進(jìn)而達(dá)到光束偏轉(zhuǎn);柔性支撐可以使反射鏡支架沿其變形方向旋轉(zhuǎn)?？旆寸R的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 快速控制反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電渦流傳感器的基本原理

電渦流傳感器的原理是采用一種非接觸式測量方法,即不需要在金屬導(dǎo)體的表面施加外界壓力。無器件摩擦損耗,所以有較強(qiáng)的測量優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于測量位移、厚度、振動(dòng)和無損探傷等方面。

電渦流傳感器是根據(jù)渦流效應(yīng)原理工作的,渦流效應(yīng)示意圖如圖2所示,給線圈通入交變電流I1時(shí),線圈的周圍會產(chǎn)生交變磁場H1。把一個(gè)被測物金屬導(dǎo)體放入這個(gè)交變磁場,當(dāng)導(dǎo)體被測物接近或遠(yuǎn)離線圈,磁通量Φ1改變。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,由于磁場的變化,在閉合導(dǎo)體中感生出電渦流I2,渦流形成新的磁場H2,由楞次定律可知,H2和H1的方向相反,抵消了部分H1的強(qiáng)度,從而導(dǎo)致傳感器的參數(shù)Z、Q變化[22]。

為了更直觀描述電路原理,搭建電渦流傳感器的等效模型見圖3。把形成的渦流看作短路環(huán)中的電流,線圈和被測物形成耦合電感。耦合電感之間的互感系數(shù)M受提離距離影響,M隨著線圈與被測物間的提離距離δ減小而增大。

圖3 電渦流的等效電路圖

由基爾霍夫定律得到下列方程:

(1)

方程解得等效阻抗為

(2)

等效電阻:

(3)

等效電感:

(4)

2 有限元仿真模型建立

2.1 幾何建模

建立三維空間模型,創(chuàng)建由電渦流傳感器、音圈電機(jī)和柔性支撐組成的快反鏡實(shí)際布局模型。圖4為快反鏡差動(dòng)式電渦流傳感器的等效模型。此模型傳感器的被測面可以旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)傳感器角度的測量。

圖4 電渦流傳感器等效模型圖

2.2 材料選擇

測頭選取的材料為銅,被測面材料為鋁,音圈電機(jī)內(nèi)磁鋼和線圈分別選材為電工軟鐵和銅,柔性支撐材料為鋼,主體支撐材料為鋁,空氣域材料為空氣,所選材料的具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2.3 模型參數(shù)選擇

快反鏡電渦流傳感器等效模型各參數(shù)值見表2。

表2 模型參數(shù)表

2.4 物理場添加

添加磁場作為物理場。在磁場中添加4個(gè)線圈,作為測頭X1、X2、Y1、Y2,每個(gè)測頭均選擇均勻多匝線圈導(dǎo)線模型和電路(電流)激勵(lì)。其中測頭導(dǎo)線直徑0.06 mm,測頭各坐標(biāo)軸磁矢勢為0。

選擇電路物理場,添加電壓源和接地節(jié)點(diǎn)。X1、X2、Y1、Y2測頭分別與電阻串聯(lián)成外部電路,其中X1、X2串聯(lián)外部電路和Y1、Y2串聯(lián)外部電路分別形成X軸、Y軸兩組差動(dòng)電路,用來提高傳感器的精度。

2.5 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分直接影響仿真結(jié)果的測量精度,被測物、測頭、音圈電機(jī)和柔性支撐區(qū)域所劃分的網(wǎng)格采用細(xì)化的自由三角形,空氣域采用較粗化的網(wǎng)格,保證較高精度的仿真結(jié)果,且運(yùn)行時(shí)間較快。

2.6 研究與求解

對電渦流傳感器被測物的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置參數(shù)a,a的范圍為-2°～2°。使用參數(shù)化掃描,改變被測面的旋轉(zhuǎn)角度,對不同半徑被測物體的快反鏡仿真模型逐一進(jìn)行求解。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 快反鏡差動(dòng)式電渦流傳感器模型驗(yàn)證分析

建立快反鏡差動(dòng)式電渦流傳感器的仿真模型,明確電渦流傳感器的被測面被音圈電機(jī)和柔性支撐遮擋,未能滿足其半徑為測頭半徑3倍時(shí)對測量結(jié)構(gòu)的影響,從而把干擾誤差降到最低,提高傳感器精度。當(dāng)快反鏡差動(dòng)式電渦流傳感器被測面發(fā)生角度旋轉(zhuǎn)時(shí),測頭輸出電壓的變化曲線如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)角度與測頭輸出電壓的關(guān)系

由圖5可以看出,被測物沿Y軸旋轉(zhuǎn)±2°,測頭X1接近被測物時(shí)測頭X2遠(yuǎn)離被測物,測頭X1輸出最高電壓值時(shí)測頭X2處于最低電壓值。當(dāng)測頭遠(yuǎn)離被測物時(shí)提離距離變大,測頭的輸出電壓減小;當(dāng)測頭接近被測物時(shí)提離距離變小,測頭的輸出電壓增大,與電渦流原理推導(dǎo)公式以及實(shí)際測量電渦流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。當(dāng)被測面旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí),測頭X1和X2與被測物間的提離距離相等,此時(shí)電壓值也相等。因沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng),故測頭Y1和測頭Y2與被測物的提離距離始終相等,所以測頭輸出電壓VY1=VY2。

3.2 被測面半徑對電渦流傳感器測量結(jié)果的影響

靈敏度和線性度是描述傳感器使用性能的2個(gè)重要參數(shù),其中靈敏度為傳感器在穩(wěn)定狀態(tài)下輸出與輸入特性曲線的斜率。

(5)

式中:K為曲線的斜率;Δy為電壓值的變化量;Δx為偏轉(zhuǎn)角度的變化量。

線性度又稱為非線性誤差,是傳感器經(jīng)過標(biāo)定后的曲線和擬合直線之間的最大差值與滿量程輸出之比。

(6)

式中:γ為渦流傳感器的線性度;ΔYmax為最大變化量;Y為滿量程。

當(dāng)快反鏡中電渦流傳感器處于空間強(qiáng)約束條件下,被測面受音圈電機(jī)和柔性支撐阻擋,導(dǎo)致被測面半徑只能滿足為傳感器測頭半徑的1倍、1.5倍、2倍和2.5倍,其中R1=R測頭=2.85 mm;R2=1.5R測頭=4.275 mm;R3=2R測頭=5.7 mm;R4=2.5R測頭=7.125 mm;R5=3R測頭=8.55 mm。被測面沿Z軸從-2°旋轉(zhuǎn)到2°時(shí),根據(jù)測頭X1和X2輸出的電壓差,可求出快反鏡中電渦流傳感器靈敏度和線性度的變化情況。被測面旋轉(zhuǎn)角度與X軸測頭電壓差的關(guān)系如圖6所示。

圖6 被測面旋轉(zhuǎn)角度與X軸測頭電壓差的關(guān)系

電渦流傳感器被測面在空間受限的情況下全行程旋轉(zhuǎn)±2°時(shí),傳感器靈敏度和線性度的結(jié)果如表3所示。

表3 電渦流傳感器各性能參數(shù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,被測面半徑會影響電渦流傳感器測量結(jié)果的靈敏度和非線性誤差。當(dāng)快反鏡內(nèi)部空間不受約束,可以保證被測面半徑等于3倍測頭半徑時(shí),渦流傳感器的靈敏度為0.096V/(°),非線性誤差為2.46%;空間狹小被測面半徑只能達(dá)到1倍測頭半徑時(shí),傳感器的靈敏度減小了47%,非線性誤差增大了96%,線性度變差。X軸測頭電壓差變化趨勢并沒有發(fā)生改變,仍隨著角度的變化保持單調(diào)遞增,可以對線性度進(jìn)行校正從而實(shí)現(xiàn)快反鏡電渦流傳感器的角度測量。傳感器靈敏度和線性度的改變,會影響傳感器的測量精度。在實(shí)際測量時(shí),音圈電機(jī)和柔性支撐距離電渦流傳感器過近導(dǎo)致被測面大小受限是影響靈敏度和線性度發(fā)生較大變化的原因之一。在快反鏡逐漸集成化、小型化的發(fā)展進(jìn)程中,快反鏡空間強(qiáng)約束條件下會對電渦流傳感器產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié)論

文中基于電渦流傳感器在空間強(qiáng)約束條件下存在的問題,系統(tǒng)分析了電渦流傳感器被測面處于狹小空間內(nèi),不能滿足其半徑為測頭半徑3倍時(shí)對電渦流傳感器測量結(jié)果的影響。結(jié)合快反鏡和渦流傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及數(shù)學(xué)模型,使用有限元仿真建立由電渦流傳感器、音圈電機(jī)和柔性支撐組成的快反鏡模型,分析不同半徑的被測面發(fā)生角度旋轉(zhuǎn)時(shí)測頭輸出電壓的變化曲線,結(jié)果表明當(dāng)被測面半徑滿足3倍測頭半徑時(shí),電渦流傳感器靈敏度和線性度達(dá)到最優(yōu)值;隨著被測面半徑的減小,渦流傳感器的靈敏度降低,非線性誤差增大,線性度變差。當(dāng)被測面只能滿足1倍測頭半徑時(shí),電渦流傳感器的靈敏度降低了47%,非線性誤差增大了96%,但X軸輸出電壓差與角度的變化曲線總體趨勢仍從-2°到2°單調(diào)遞增,電渦流傳感器能夠保證正常的測量使用。在實(shí)際工程中,可以用標(biāo)定來改善傳感器的精度。本文為快反鏡小型化的發(fā)展提供參考。