差动变速器式位移传感器的结构优化及其数字接口电路设计

差动变速器式位移传感器的结构优化及其数字接口电路设计
1 引言
在机械系统中，往往需要对各种机械量进行测量，由于许多机械量能够变换成位移，故选用适当的位移传感器就能测量出许多机械量。

差动变压器将机械位移转换成与它成比例的电压或电流信号，是一种非常便利的位移检测器。

差动变压器的结构形式较多，但其工作原理却基本一样，都是将被测量的变化转换成变压器的互感变化，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则感应出电动势。

通过结构优化，差动变压器可以测量0.01μm～500mm的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。

2 差动变压器的基本结构
以螺管形差动变压器为例，介绍差动变压器的基本工作原理。

螺管形差动变压器的结构如图1所示。

它由初级线圈p，两个次级线圈S1、S2和插入线圈中央的圆柱形铁芯b组成，其结构形式又有三段式和两段式之分。

图1 螺管形差动变压器结构原理(a)三段式(b)二段式(c)电量原
理图
差动变压器的线圈连接如图1c所示。

次级线圈S1和S2反极性连接。

当初级线圈p加上某一频率的正弦交流电压Ui后，次级线圈产生感应电压为U1和U2，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。

U1和U2反极性连接便得到输出电压U0。

当铁芯位于线圈中心位置时，U1＝U2，U0＝0；当铁芯向上移动时(见图1c)，U1＞U2，U0＞0，则M1大，M2小(M1、M2为互感系数)；当铁芯向下移动时(见图1c)，U1＜U2，U0＜0，则M1小，M2大。

铁芯偏离中心位置时，输出电压
U0随着铁心偏离中心位置的大小，U1或U2逐渐增大，移动方向不同，相位相差180°，如图2所示。

因此，测量出输出电压的大小和相位就能知道铁芯移动的距离和方向。

图2 差动变压器输出电压的特性曲线
3 传感器的结构优化和工作原理
受结构的限制，三段式差动变压器只能用于测量小位移(10～20mm)，对两段式差动变压器的结构稍作变动，就可以满足测量较大位移的需求，其结构如图3所示。

次级线圈2均匀密绕在铁芯棒1上，该线圈由线径、匝数、结构尺寸完全相同的左右两组绕组按差动方式连接而成，感应信号由C、D两端子输出，铁芯可相对于绕在胶木管3上的励磁线圈4左右活动。

设励磁电流为：
i（t）＝i0＋iacosωt (1)
则C、D两端输出电压为：
（2）
其中Ml和Mr分别是左右绕组和原边绕组之间的互感。

当铁芯位于中间位置时，则Mr＝Ml＝M0 （3）
如果铁芯向左移动距离X，则
Xl＝M0＋ΔM（4）
而
Mr＝M0－ΔM（5）
由于副边绕组均匀密绕，因此有
ΔM＝KmX （6）
将式(3)～(6)代入式(2)，得
（7）
可以看出U0由三项组成，即
U0＝U01＋U02＋U03
其中
U03＝2KmXiaωsinωt U01为直流分量，并且正比于铁芯的速度dx／dt，因此此项可用于测量速度；U01为余弦分量，U02为正弦分量，它的幅值正比于铁芯的位移X，而且U02的幅值中包含有ω项，由于ω＝2πf，而f通常比较大，所以U02U01，因此在式(7)中将U01忽略掉，对测量结果影响不大。

很明显，若励磁线圈中只通入直流分量，则差动变压器的输出可以用来测量铁芯的速度；若励磁线圈中只通入交流分量，则差动变压器的输出可以用来测量位移；若励磁线圈中同时通入交、直流信号，则差动变压器的输出当然可以对速度、位移同时进行测量，对速度信号进行微分运算，还可以得到加速度信号。

综上所述，通过施加不同的励磁电流，差动变压器可用于对多个机械参数同时进行测量，成为一种实用的多功能测量仪器。

4 实用接口电路设计
由上述分析可以看出，当输入为余弦信号时，输出为正弦信号，它的幅值与机械位移成正比，为了得到所需要的幅值信息，传感器的测量接口电路一般由以下几个部分所组成，如图4所示。

图4 差动变压器测量接口电路框图
图4中，LZX1为全波相敏解调器，它将传感器输出的信号进行全波整流后输出，再经过低通滤波器，滤除调制时引入的高频信号，得到的直流信号经过放大，可以直接驱动记录仪表，或者经过A／D转换，输入到计算机中，进行数字显示或控制，以达到对被测对象的运动状态进行实时监控的目的。

为了对数控刨齿机的滑枕位移进行测量，我们根据上述原理制作了行程为0～25mm的传感器，测量数据如下表所示。

表位移传感器测量数据
测量结果显示出传感器的非线性度小于1%，灵敏度大于15mv/mm，能够满足使用的要求。

设计测量接口电路时，还可以采用美国AD公司的低功率差动变压器数字接口芯片AD2S93，它不仅可以完成差动变压器的信号调制工作，而且还可以完成A／D转换并将数字信号以串行方式输出，具有可重复性好、远距离测量、高精度、低功耗、线性度好等优点，非常适合于精密测量。

AD2S93与差动变压器的接口如图5所示，其中差动变压器的输出信号由A、B端输入，当CS端为低电平时，DATA端将输出位移测量头的绝对位置所对应的数字量，转换的数字量用16位输出，其中包括13位数字信息、2位溢出信息和一位错误信息，输出的数字量可以通过串口输入计算机中。

图5 差动变压器接口电路
5 结论
差动变压器可以将位移、速度、加速度等机械量转换成电信号，通过对其结构进行优化及接口电路设计，可以扩大测量范围，实现数字输出，是一种方便、可靠、经济的机械位移测量仪。

变压器数字接口芯片AD2S93，它不仅可以完成差动变压器的信号调制工作，而且还可以完成A／D转换。