張永超, 趙錄懷, 龐鵬飛

(1.西安交通大學城市學院，陜西 西安 710018；2.西安交通大學 電氣學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

差動變壓器式傳感器(下稱傳感器)具有準確度高、線性度好、結構簡單、靈敏度高、使用壽命長和環(huán)境適應性強等優(yōu)點。目前，傳感器的初級線圈通常采用銅質漆包線，銅線圈的溫度穩(wěn)定性差，抗腐蝕能力弱，溫度變化引起電阻的變化較大，導致傳感器輸出電壓發(fā)生變化引起誤差，進而影響傳感器的靈敏度和測量精度[1～4]。

鎳鉻合金導線具有溫度穩(wěn)定性好、抗腐蝕性強的優(yōu)點[5]，本文比較了基于鎳鉻合金導線和銅質導線為初級線圈的傳感器測量系統，系統由傳感器、信號調理電路、現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)和顯示電路組成[6～9]。試驗結果表明采用鎳鉻合金導線比銅質導線組成的系統溫度穩(wěn)定性好、測量精度高。

1 兩種材質線圈的傳感器溫度誤差分析

1.1 兩種材質線圈的溫度變化參數比較

根據實際情況選擇直徑0.5 mm，長30 m的銅導線和鎳鉻合金導線作為初級線圈材質，其導線電阻率為

ρ(T)=ρ0(1+α(T-T0))

(1)

式中ρ0為在溫度T0下的電阻率，ρ(T)為溫度T時的電阻率，α為電阻溫度系數。再結合公式R=ρl/s計算出電阻，通過計算兩種材質電阻變化如表1所示。

表1 兩種材質溫度變化參數比較

由表1中可知，在相同規(guī)格下，溫度每上升20 ℃鎳鉻合金導線的電阻變化率比銅導線小7.98 %。

1.2 兩種材質線圈的傳感器溫度誤差分析

傳感器由初級線圈、2個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。其等效電路如圖1所示。

圖1 差動變壓器式傳感器的等效電路

當活動銜鐵向上移動x時M1>M2，22增加,22減小。反之，22增加，21減小。因2=21-22，所以當21,22隨著銜鐵位移x變化時，2也必將隨x變化。

根據電磁感應定律，次級繞組中感應電勢的表達式為

(2)

(3)

則

(4)

式中r1為初級線圈的內阻，當其他參數不變時U2=f(r1)，r1又是T的函數，則U2=g(T)。

傳感器的初級線圈材質分別為銅和鎳鉻合金時的輸出電壓分別Ucopper是和Ualloy，當溫度變化時ΔUcopper>ΔUalloy，按照傳感器原理ΔUcopper和ΔUalloy的變化只能是x的函數。

因此，當溫度變化時銅線圈比鎳鉻合金線圈引起的電壓變化量大，即引起的誤差大。

2 系統硬件設計

2.1 系統總體設計

差動變壓器激勵信號由信號發(fā)生器產生，本文設計了基于銅和鎳鉻合金導線為初級線圈的傳感器、信號調理電路、FPGA和顯示電路組成，系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

2.2 差動變壓器傳感器的激勵信號選取

傳感器的激勵電壓的頻率和幅值，與傳感器的靈敏度、線性度和零點殘余電壓有直接的關聯。

提高激勵頻率有利于提高線圈的品質因數和傳感器的靈敏度。如果激勵頻率太高，導體的有效電阻將增加，渦流損耗和磁滯損耗將增加。線圈間耦合電容的影響增強，零剩余電壓增加。

增加激勵幅度可以提高靈敏度，幅值過大繞組加熱將會增加，將導致行溫度漂移，磁飽和增加了零剩余電壓。如果激勵幅度太低，精度和靈敏度會降低，零點附近的測量靈敏度急劇下降。

基于此，試驗設備選擇TFG2015A型號的信號發(fā)生器。選取激勵的頻率為6 kHz，幅值為2 Vpp進行實驗，使得傳感器的輸出電壓在50～520 mVpp之間變化。

2.3 信號調理電路設計

傳感器輸出信號為交流信號，FPGA的A/D輸入電壓范圍為直流0～3 V，通過信號調理電路將傳感器輸出的交流信號調理為直流0～3 V，信號調理分為兩步：整流濾波;信號放大。

整流濾波電路采用運算放大器集成電路芯片OP07，設計的電路為正半波整流電路，輸入信號從運算放大器的反相端輸入，通過半波整流電路將正弦信號下半部濾除，只保留上半波形，達到整流電路的設計目的。在半波整流后的輸出端連接一個π型濾波電路，使得脈動電壓的交流分量大部分降落在電阻的兩端，少部分降落在負載上，起到濾波作用，整流濾波電路如圖3所示。

圖3 整流濾波電路

信號放大電路采用OP07芯片，用T型電阻網絡實現反饋，可以在減小溫漂誤差的同時，又獲得較大的放大倍數和較高的輸入電阻，T型電阻網絡放大電路如圖4所示。

圖4 T型電阻網絡放大電路

2.4 主控芯片及顯示電路設計

主控芯片選用CYCLONE Ⅱ系列型號為EP2C8T144C8的芯片，顯示電路選用1602LCD液晶顯示器。

3 測試分析

為了比較鎳鉻合金導線和銅導線因溫度變化引起系統誤差的大小，進行試驗比較。

試驗具體步驟為：1)對差動放大器調零;2)零點殘余電壓補償;3)選取頻率6 kHz，幅值為2 Vpp的激勵電壓;4)旋轉螺旋測微器使差動變壓器的鐵芯由上至下移動，每移動1 mm，通過LCD顯示器觀察并記錄輸出電壓。重復10次試驗步驟，取其平均值，記錄鐵芯位移和對應輸出電壓，繪制位移與輸出電壓關系曲線。

在初級線圈為銅和鎳鉻合金導線，溫度為20，40 ℃的情況下，分別試驗并繪制位移與輸出電壓關系如圖5所示。

圖5 位移與輸出電壓的關系

由圖5可知，20，40 ℃時，傳感器初級線圈為銅導線時，系統輸出電壓最大值分別為4.94，5.33 V，即溫度升高20 ℃引起的相對誤差為(5.33-4.94)/4.94，約為7.9 %。

4 結 論

20 ℃和40 ℃時，傳感器初級線圈為鎳鉻合金導線時，系統輸出電壓最大值分別為5.01 V和5.06 V，即溫度升高20 ℃引起的相對誤差為 (5.06-5.01)/5.01， 約為1.0 %。

試驗結果表明，當溫度由20 ℃升高到40 ℃時，采用鎳鉻合金比銅質導線組成的系統其輸出電壓的相對誤差減小了6.9 %。