一种新型差动变压器式角位移传感器

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
μ πN 0h 1I Υ 2 =Υ 1 +Υ 3 = r 0 2l n r 1 N μ θ N 1I 0h 1I Υ = 3 = R r 23 0 2l源自文库n r 1 输出电动势 :
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图 5 差动变压 器式角位移传感器输出曲线
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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 。
E 1 E ω ( M I 2j ω ΔM 2 =-j 1 -M 2) 1 =R ω L 1 +j 1
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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 。
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差动变压器的输出 特性曲线如图 2 所示 。 图
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中, x 表示衔铁偏离中心位置的距离 ; E 2 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 ; U z为零点残存电压
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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 。
一 种 新 型 差 动 变 压 器 式 角 位 移 传 感 器
在图 1 中 , e 1 是初级线圈的激励电压 , e 2 是次级 线圈的感应电压 ; L 1 、R 1 分 别是初级线圈的电感和 电阻 ; M 1 、M 2 分别是初级线圈与次级线圈 1、 2 之间 的互感 ; L 21 、L 22和 R 21 、R 22分别是次级线圈 1、2 的电 感和电阻 。 I 1 为初级线圈中的电流 。 根据变压器工作原理 为:
离大于 r ∈( 0 1 时 , 可以形成闭合磁路 , 转动角度为 θ ～ π) 。 R 21 = 2 r 0 2l n r d r 1 = μ ( π -θ ) r h μ h ( π -θ ) 0 0
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
AN e wD i f f e r e n t i a l T r a n s f o r me r T y p eA n g u l a rD i s p l a c e m e n t S e n s o r M E N GW u s h e n g ,M I A OY i w e n ,D O N GR o n g ( N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ,X i ' a n710072 , C h i n a )
2010 年第 8期
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设计分析 e s i g n a n da n a l y s i s
路尺寸相等 , 则 M M M , 所以 E 0; 当铁心偏离 1 = 2 = 2 = 中间位置时 , M 1 ≠M 2 , 由于差动作用 , 所以 M 1 =M+ Δ M MΔM 1, M 2 = 2 , 近而感应电动势 E 2 变化 。 在一定范围内 , ΔM= ΔM ΔM M 1 = 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 :
式中 : R 分别为铁心磁阻 、衔铁磁阻 、 气隙磁 X、R Y、R 阻 。 因为铁心 、 衔铁的磁导率远远大于空气的磁导 率 , 所以 : R X +R Y Υ= R N 1I 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
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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: d ψ 1 E =-j ω ψ ω N 21 =1 =-j 21 Υ 1 d t · d ψ 2 E =-j ω ψ ω N 22 =2 =-j 22 Υ 2 d t · d ψ 3 E =-j ω ψ ω N 23 =3 =-j 23 Υ 3 d t
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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 : T M 38 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 -7018( 2010) 08 -0032 -03
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设计分析 e s i g n a n d a n a l y s i s R 21 R 23 R 22 = R 21 +R 23
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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 1 150 105 280 0. 62 ～ 4. 19 V
A b s t r a c t : S h o r t a g e s o f t r a d i t i o n a l a n g u l a r d i s p l a c e m e n t s e n s o r sw e r ep o i n t e do u t , s u c ha sc o m p l e xs t r u c t u r e ,h i g hd e ma n do ne n v i r o n m e n t a n dt e c h n o l o g y ,s h o r t w o r k i n gl i f e , l o wp r e c i s i o n , a n dt h ep r i n c i p l eo f an e ws t r u c t u r eo f d i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e r -t y p ea n g u l a r d i s p l a c e me n t s e n s o r sw a si n t r o d u c e d . A c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e , t h ed e v e l o p e ds e n s o r e f f e c t i v e l y a v o i d s s h o r t a g e so f t r a d i t i o n a l a n g u l a r d i s p l a c e me n t s e n s o r ,a n dg i v e st h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i cc u r v e . K e yw o r d s : d i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e r ; a n g u l a r d i s p l a c e m e n t s e n s o r ; c o e f f i c i e n t o f m u t u a l i n d u c t a n c e
式中 : N 基准变压器 21 、N 22 、N 23分别为左侧调压线圈 、 次级线圈 、 右侧调压线圈的匝数 ; Υ 1 、Υ 2 、Υ 3 和 ψ 1、 ψ 2 、ψ 3 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 : Υ= N 1I R X +R Y +R
∫
r 1
r 0
R 23 = 2
∫
r 1
r 0
r 0 2l n r 1 d r = μ r h μ θ 0θ 0h
R 右调压线圈与铁心和衔铁耦合的 21 、R 23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 R 21 和 R , 所以有 : 23并联 )
收稿日期 : 2009 10 -20
, 次级线圈的感应电势
E ω M 21 =-j 1I 1
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E ω M 22 =-j 2I 1
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输出电势为 :
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E ω ( M I 2 =E 21 -E 22 =-j 1 -M 2) 1 当铁心在中间位置时 , 若两个次级线圈参数及磁
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改稿日期 : 2009 11 -25
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 : Υ 1 = N μ ( π -θ ) N 1I 0h 1I = R r 21 0 2l n r 1
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 。
[ 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 。
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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