毛小玲 董偉超

摘要：基于飛行試驗中角度參數(shù)測試需求，通過研制一種非接觸式線位移（LVDT）傳感器，實現(xiàn)機載條件下機械結構角位移的高精確測量，保證型號任務的完成。在深入探討差動變壓器型LVDT工作原理的基礎上，對傳感器的結構和特性進行分析與設計，探討了結構參數(shù)的選取原則及各參數(shù)對LVDT性能的影響規(guī)律。簡要介紹了LVDT的靈敏度設計和零位電壓誤差的控制，總結了LVDT作為典型信號調理裝置在工程中的應用。

關鍵詞：差動變壓器，參數(shù)設計，靈敏度，信號調理

1 傳感器工作原理

LVDT線位移傳感器采用差動變壓器式原理，初級和次級線圈完全隔離，為非接觸式設計。外部正弦波信號激勵初級線圈，通過初級線圈與次級線圈弱電磁耦合，使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關系，通過電壓測量即可獲得線位移信息，即傳感器芯軸機械移動傳遞到與之相連的鐵芯，改變線繞線圈的感應電壓，輸出與

鐵芯移動距離成比例的電壓輸出信號，通過調節(jié)電路將LVDT的原始輸出信號轉換為一個比例直流信號。

LVDT線位移傳感器采用螺管型差動變壓器結構，由初級線圈P、兩個次級線圈S1、S2和插入線圈中央的鐵芯b組成，結構形式為四節(jié)式，采用該結構可以改善傳感器線性度。

2 結構設計和參數(shù)確定

2.1 結構組成

LVDT線位移傳感器采用差動變壓器式原理，主要由線鐵芯、連桿、骨架、激勵繞組、2個對稱分布的輸出繞組、調節(jié)電路、殼體、電纜等部分組成。

LVDT是將被測線位移量的變換轉換成磁路磁阻變化引起線圈互感M變化的一種裝置。當激勵繞組接入激勵電源后，輸出繞組將產(chǎn)生感應電壓，互感變化時輸出電壓將做相應的變化，2個輸出繞組接成差動形式，即2個感應電動勢反向串接。

2.2 鐵芯和骨架設計

骨架通常采用圓柱形，由絕緣材料制成。對骨架的要求是，高頻損耗小、抗潮濕、溫度膨脹系數(shù)小。傳感器精度低的可用膠木棒，高精度設計可采用環(huán)氧玻璃纖維、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架的形狀和尺寸要精密對稱，骨架上密繞高強度漆包線線圈。線圈一般采用36～48號，導線直徑取決于電源電壓和頻率的高低。電源電壓一般在3～30V（有效值）范圍內，電源頻率在50Hz～20kHz。[1]

鐵芯的功用是提供閉合回路、磁屏蔽和機械保護。連桿和鐵芯采用同種材料，通常采用電阻率大、導磁率高、飽和磁感應強度大的材料，如純鐵、坡莫合金、鐵氧體等。鐵氧體適用于高頻工作的鐵芯，但尺寸精度受到限制，高精度LVDT設計采用高鎳坡莫合金。應力，以改進其磁性能。

小量程差動變壓器設計，為使總磁場分布的直線化和鐵芯移動時線圈阻抗的穩(wěn)定，鐵芯長度應大于線圈長度。為使在一定精度內獲得更大的測量范圍，鐵芯的最佳長度根據(jù)式1[2]計算。

式中，l為線圈的總長度，d為繞組線圈的平均直徑，li為激勵線圈的長度。

2.3 靈敏度設計

2.3.1 氣隙的選擇

氣隙的大小對差動變壓器靈敏度影響很大，Ⅱ型差動變壓器靈敏度根據(jù)式2[2]，

Ⅱ型差動變壓器氣隙一般選在0.3～1.0mm。

為提高靈敏度，設計中盡可能增大鐵芯半徑，減小螺線管線圈外徑r0，在鐵芯運動不受阻的條件下減量減小鐵芯和骨架的間隙。一般鐵芯和骨架間隙為0.2～1.0mm。

2.3.2 線圈匝數(shù)的確定

提高傳感器靈敏度的方法有二：一是提高初級線圈的匝數(shù)，在給定的窗口面積下，選用低電阻率、高強度的細線，常用直徑為DP=0.04～0.16mm的漆包線。二是提高次級與初級線圈的匝數(shù)比。初級匝數(shù)確定后（一般取500～1500匝），增加匝數(shù)比有利于提高靈敏度，但匝數(shù)比過大將造成零點輸出電壓過大，次級輸出阻抗增加而易受外部干擾。一般匝數(shù)比取1～3。

初級線圈DP選定后，根據(jù)線圈實際所占窗口面積（即線圈繞組的可利用空間，由最大結構尺寸確定）應小于允許窗口面積SK，則有式3：

計算得到初級線圈NP的匝數(shù)：

2.3.3 激勵電源頻率特性

激勵頻率的增加有利于提高線圈品質因數(shù)，從而提高靈敏度。

頻率太低時，差動變壓器的靈敏度顯著降低，溫度誤差和頻率誤差增加。隨頻率的增加，鐵損和耦合電容等影響也增加，常用激勵頻率為3KHz～10KHz。另外激勵頻率的增加引起與次級線圈相聯(lián)系的磁通量的增加，初級線圈的電抗增大，使差動變壓器的輸出電壓增大。

3 傳感器調理電路

3.1 信號調理原理

選用美國AD公司生產(chǎn)的AD698作信號調節(jié)，AD698與LVDT配合，能夠將LVDT的機械位移轉換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。在芯片內部，AD698將LVDT處理的次級輸出信號按比例地轉換成直流信號。

AD698內部有一個用來產(chǎn)生LVDT初級激磁信號的低失真正弦波振蕩器及其功率放大器，AD698驅動LVDT的初級線圈，使得LVDT的次級線圈產(chǎn)生感應輸出電壓，從而產(chǎn)生一個與磁芯位置成比例的交流輸出電壓，AD698內部的濾波器及輸出功率放大器處理LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個和磁芯位置成比例的直流電壓信號。內部的兩個同步解調器作為解碼器來解碼初級和次級線圈電壓，解碼器確定一個比例系數(shù)，即有線圈輸出電壓和輸入驅動電壓的比值A/B。AD698通過同步解調次級線圈的已調的電壓幅值來解碼LVDT，很好的解決了主控振蕩器的幅值受到影響使輸出產(chǎn)生增益誤差的問題。

3.2 信號調理電路

LVDT信號調理選用美國AD公司生產(chǎn)的AD698集成芯片，AD698是一種完整的單片式線性位移差分變壓器信號調理系統(tǒng)。僅用一個單片器件來解決LVDT信號調節(jié)問題，只需外接無源元件，而且不需要任何調整。外圍的元器件可以建立的參數(shù)包括：激勵頻率和輸出幅值，零電位補償調整、濾波和信號整合等。

AD698作為信號調節(jié)具有的優(yōu)點：輸入/輸出電壓及頻率適應范圍都很寬，可適用于不同類型的LVDT;可利用外部的激勵信號也能正常工作;采用比率譯碼方案，次級對初級的相移和變壓器中點電壓不會影響線路的總性能;消耗功率受超過它的允許值時，激磁輸出有過熱保護;線路不受相移或信號絕對值的大小影響，能夠通過電纜驅動300英尺（約91.4米）以外的LVDT正常工作。傳輸距離遠，輸出直流電壓能夠通過電纜傳輸?shù)?000英尺（約304.8米）以外的地方。[3]

4 結束語

線位移傳感器作為多種機型的列裝產(chǎn)品，也可用于飛機模擬臺及其他地面設備的線位移測量。具有廣泛的應用前景。LVDT傳感器屬于變磁阻式傳感器，是利用磁路磁阻變化引起線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量，作為一種機電轉換裝置，將輸入的機械物理量轉換成電能量輸出，在現(xiàn)代工業(yè)和科學實驗，尤其在自動控制系統(tǒng)中應用十分廣泛，是實行非電量電測的重要傳感器之一。

參考文獻

[1] 田裕鵬，姚恩濤，李開宇.傳感器原理（第三版）.北京：科學出版社，2007.09.142～146。

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