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

　　摘要　差动变压器可以将机械位移转换成与它成正比的电信号，因此，可以方便地用来测量机械位移。本文在分析差动变压器工作原理的基础上，提出采用结构优化方法来提高传感器的测量范围，并通过施加不同的励磁信号，可以对其它相关的机械参数同时进行测量，最后给出了数字接口电路，进行了实验验证。
　　关键词：差动变压器　结构优化　测量电路

Structure Optimizing of Differential Transformer Type
Displacement Sensor and Design of Its Numerical Interface Circuit

Miao Xiaoyan

　　Abstract　As a kind of sensors,the differential transformer convents the mechanical displacement to electrical signal,which is proportional to the displacement,therefore,it could be used to measure the placement conveniently.The paper analyses the principle of differential transformer,in the meantime,it raise a method which could improve the measurement range by optimizing the structure of the instrument.Provided with different exciting signal,it could be used to measure the other mechanical parameters.The digital interface circuit is designed at the end of the paper.
Key Words:differential transformer;structure optimizing;interface circuit

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U_{i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。

图3　长行程位移传感器结构
1.芯棒　2.次级线圈　3.胶木管　4.初级线圈绕组

　　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）＝i_{0＋iacosωt          (1)}

则C、D两端输出电压为：

          （2）

其中M_{l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}

M_{r＝Ml＝M0          （3）}

如果铁芯向左移动距离X，则

X_{l＝M0＋ΔM          （4）}

而

M_{r＝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U_{0由三项组成，即}

U_{0＝U01＋U02＋U03}

其中

   U_{03＝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

位移

(mm)U
_{0
（V）位移
(mm)U0
（V）20.2-2-0.240.4-4-0.460.6-6-0.680.79-8-0.8100.99-10-1.0121.19-121.19141.39-14-1.4161.59-16-1.59181.79-18-1.79201.99-20-1.99222.19-22-2.18242.39-24-2.38262.57-26-2.57}

　　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。