邰秀江 馮琪玲

1.阜新福傳傳感器有限公司

2.遼寧工程技術大學應用技術學院副教授，遼寧 123000

GH系列傳感器國產(chǎn)化技術分析

邰秀江1馮琪玲2

1.阜新福傳傳感器有限公司

2.遼寧工程技術大學應用技術學院副教授，遼寧 123000

差動變壓器式位移傳感器(以下簡稱LVDT），是利用差動變壓器原理制造的。在當今信息迅猛發(fā)展的時代，其重要性越來越被大家所認識。本文以傳感器的基本原理為理論基礎，依據(jù)國內外產(chǎn)品特點，對英國SenSonics公司的產(chǎn)品進行了國產(chǎn)化設計，開發(fā)出廣泛應用于自動檢測與自動控制中的差動變壓器式位移傳感器。

差動變壓器；位移傳感器；制動檢測；GH系列

引言

隨著科學技術的進步發(fā)展，傳感器已作為國家重點支持發(fā)展的高新技術產(chǎn)品，并成為新技術革命的關鍵因素。我公司作為差動變壓器式位移傳感器專業(yè)生產(chǎn)基地，盡管近年來在產(chǎn)品品種、規(guī)格及水平方面都有新發(fā)展，但仍不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需求，對GH系列傳感器國產(chǎn)化技術的開發(fā)顯得尤為重要。本文主要對差動變壓器式位移傳感器基本結構進行了改進，并從材料的選擇方面入手，設計了國產(chǎn)GH系列差動變壓器式位移傳感器，填補該產(chǎn)品型譜系列中規(guī)格不全的缺陷。

1 差動變壓器式位移傳感器結構特點及基本原理

1.1 差動變壓器結構特點

差動變壓器式傳感器的結構類型有：螺管型、門型、旋轉型。其中螺管型與后兩種比較有高靈敏度、較高分辨率、可靠性能好、過載能力強、線性度好等優(yōu)點。據(jù)此，本設計采用螺管型差動傳感器，其特點如下：

(1)可在惡劣的環(huán)境下工作。產(chǎn)品的使用溫度可達-180℃～600℃，有的可在水下及油中以及核輻射環(huán)境中長期工作，這是其它結構形式的位移傳感器不能比擬的。

(2)由于LVDT位移傳感器可動部分銜鐵與固定部分線圈之間本質上是非接觸的，為此傳感器的理論重復性誤差和回差為零。

(3)LVDT傳感器工作時鐵芯與線圈骨架沒有摩擦，因此有極高的平均無故障時間。

(4)LVDT傳感器具有無限分辨率，其實際的分辨率取決于顯示儀表的精度。

(5)LVDT傳感器靈敏度高，輸出信號大，輸出的頻率響應較寬[3]，溫度系數(shù)小。

1.2 基本原理

LVDT傳感器就是利用差動變壓器轉換元件將位移量轉換為與其成相應關系的電信號輸出，具體地說，它是由兩個或多個帶鐵芯的電感線圈組成。初級、次級之間的耦合是能隨鐵芯或兩個線圈之間的相對位移而改變的，能把機械量轉換為電信號輸出。當初級線圈通以音頻激磁電源后，由于互感的作用，兩個次級線圈將分別產(chǎn)生感應電動勢，E2-1、E2-2，把兩個二次線圈的一對同名端相接，在另一對同名端即可獲得一個與鐵芯位移成線性函數(shù)關系的電壓。當鐵芯在中間位置時，兩個次級繞組互感相同，因而由初級激磁引起的感生電動勢相同E2-1=E2-2=0，差動輸出電壓為零。當鐵芯移向次級繞組N2-1一邊時， N2-1互感增大，N2-2互感減小，因此E2-1＞E2-2，差動輸出電壓E=E2-1—E2-2≠0，且在傳感器的量程內，鐵芯移動的越大，差動輸出電壓越大。反之亦如此。如圖(1)所示，根據(jù)LVDT輸出的電信號的大小和極性，即可計算出該位移的大小和方向。

圖1

2 材料的選擇

國產(chǎn)化前GH傳感器最顯著的特點是體積小、外形美觀、輸出靈敏度高、測量范圍小、易與變送器配套，不足之處是骨架采用聚四氟乙烯材料、多段式結構，加工復雜，每一段需用膠粘接，線性補償時易損壞，繞制線圈時高速旋轉易造成多條線，給操作者帶來視覺誤差，繞線不均勻、輸出不對稱、精度差，這就決定了必須對其骨架重新設計，以適用現(xiàn)行常用的加工手段。

1)線圈繞組由初、次級線圈和骨架組成。線圈用36-48號高強度漆包線制成；骨架的加工精度要求高、外形尺寸和形狀要求嚴格對稱，所以骨架應采用高頻損耗小、膨脹系數(shù)小、抗潮濕性能好的非導磁材料制成。骨架采用1Gr18Ni9Ti薄壁不銹鋼管。

2)鐵芯要求飽和磁感應強度高、損耗小、電阻率高、磁性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、加工性能好、價格便宜等特點。鐵芯采用1J50磁性材料。

3)殼體采用與鐵芯同類型1J50磁性材料其可提供磁回路，磁屏蔽和機械保護[4]。

通過以上材料分析，GH傳感器主要材料初步定為：骨架采用Φ3×0.5 1Gr18Ni9Ti薄壁不銹鋼管；鐵芯采用Φ2.5 1J50棒；殼體采用Φ8×1 1J50管。

3 GH傳感器設計

LVDT其主要技術指標有：量程、線性度、靈敏度、頻率響應、零點輸出電壓等。設計的任務是確定傳感器的結構類型及傳感器各部分所用材料、骨架及繞線數(shù)據(jù)和所需線徑，確定激磁電壓頻率，根據(jù)此條件設計GH/±10mmLVDT。電路部分采用成熟的AD598集成電路(在此不介紹)

3.1 線圈、骨架的確定

原GH傳感器骨架采用多段式，前文已概述其加工、繞線的復雜性，根據(jù)大量的市場調研，骨架采用1Gr18Ni9Ti鋼管，兩端加線性鐵、絕緣片的二節(jié)式結構。根據(jù)e=4e1+8d公式 取骨架e=52mm。

3.2 鐵芯設計

鐵芯直徑與靈敏度成正比，減少鐵芯與線圈間的間隙，不僅提高其有效磁導率，也提高其測量精度，根據(jù)GH/±10傳感器外徑及骨架內徑尺寸，鐵芯初步設計為：外徑θ=2.4mm、長31mm～25mm。

3.3 線圈匝數(shù)的確定

線圈的匝數(shù)影響到傳感器的靈敏度，在線圈骨架結構限定的面積下，為提高匝數(shù)選用了低電阻率、高強度的漆包線。GH/±10mmLVDT線圈繞制初步定為N1：四層平繞；N2：按一定規(guī)律階梯排列數(shù)，線徑均為Φ=0.08漆包線(在不改變其他參數(shù)條件下，不斷改變次級匝數(shù)排列而獲得一條最理想的曲線)

3.4 激磁電源、頻率確定

一次頻率的增加，有利于提高線圈的質因素，能提供靈敏度，根據(jù)：JB/T9258—99中華人民共和國機械行業(yè)標準，激磁供電電源1-5v，1-5KHz.激磁供電電壓初步定為：3v、3KHz。

3.5 零點誤差的控制

零位殘余電壓是評定傳感器性能優(yōu)劣的重要指標。當LVDT的鐵芯位于線圈中間位置時，由于對稱的兩個次級線圈反向串聯(lián)，E2-1=E2-2=0，但由于總會有殘余電壓存在[3]，實際情況并不等于零，零位輸出電壓的存在使得傳感器輸出特性在零位附近不靈敏，不利于測量并帶來誤差，因此LVDT的零部件加工尤為重要。

4 結語

GH系列LVDT傳感器具有超小體積、靈敏度高、線性度高、穩(wěn)定好的特點，現(xiàn)已在北京裝甲兵工程學院、長春燈泡廠、北京冶自儀器儀表有限公司等單位廣泛使用。LVDT在飛機的模擬試驗、產(chǎn)品試樣、疲勞試驗中也有廣泛的應用前景。

[1]中華人民共和國機械行業(yè)標準.JB/T9527—1999

[2]田欲鵬,姚恩濤,李開宇.傳感器原理第三版.科學出版社, 2007

[3]阜新福傳傳感器有限公司.傳感器說明書

[4]袁希光.傳感器技術手冊第一版. 國防工業(yè)出版社, 1986

邰秀江,女,阜新福傳傳感器有限公司董事長，工程師。長年從事位移傳感器研發(fā)制作工作，其研發(fā)的產(chǎn)品廣泛應用于機械、航天、石油化工等多種領域的位移測量系統(tǒng)中，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，在業(yè)內具有較高的知名度。

馮琪玲,女,遼寧工程技術大學應用技術學院副教授,研究方向：機電工程與數(shù)控加工技術專業(yè)的科研與教學工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.046