差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)研究_沈申生

1、 2006年 第 25卷 第 3期 傳感器與微系 統(tǒng) (T ransducer and M ic rosyste m Technologies 差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)研究沈申生(南通大 學(xué) 電氣工程學(xué)院 , 江蘇 南通 226007摘 要 :介紹了差動(dòng) 變壓器位移傳感器的結(jié)構(gòu)和原理 , 分析了零點(diǎn) 殘余電壓產(chǎn) 生的原因 以及對(duì) 差動(dòng)變壓 器位移傳感器靈敏度 、 線性度 、 精度的影響 , 并給出了有效的解決方法 。 應(yīng)用 L abV IE W 對(duì)差動(dòng) 變壓器副邊線圈的差動(dòng) 輸出信號(hào)進(jìn)行檢相 、 濾波等處理 。 結(jié)果表明 :與其 他檢測(cè)方法 相比 , 該差動(dòng)變 壓器位 移傳感器 具有更高

2、的 靈敏度和更良好的線性度 。 關(guān)鍵詞 :差動(dòng)變壓器 ; 零點(diǎn)殘余電壓 ; 位移傳感器中圖分類號(hào) :TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1000-9787(2006 03-0041-03St udy on m eas uri ng syste m for d ifferenti al transfor m er -typed is place m ent se nsorSHEN Shen -sheng(Schoo l of E lectr i c E ngi n eer i ng , N an tong U n i versity , Nan tong 226007, Ch i na A

3、b stract :T he struc t ure and t he wo rking princi p l e o f t he diff e renti a l transfo r m e r -t ype displace m ent sensor are presented . The reasons of produc i ng ze ro -point re m a i nde r vo ltage and influence o f ze ro -po int re m ainder voltage on sensitivit y , linea rity and precis

4、ion o f diff e renti a l transfor m er -t ype dis p lacement sensor are analyzed , and efficaciousso l uti on m e t hods are given . By usi ng L ab V IE W , t he s ubsidiary outpu t differen tial si gna l is proce ssed w it h pha se de t ec t o r and filter . Resu lt i nd ica tes t ha t it has highe

5、 r sensitivit y and bett e r li nearit y t han o the r means . K ey word s :differen tia l transfor m er ; zero -po i nt rema i nde r vo ltage ; dis p l acement senso r0 引 言 差動(dòng)變壓器式位移傳感器 是一種互感式傳感器 。 具有 分辨力高 、 穩(wěn)定 性好 、 精 度高 、 溫 度影 響 小等 優(yōu)良 特 性 1, 但與其他類型的位 移傳感 器相比 , 它的 各項(xiàng)指 標(biāo)不是最 佳 的 。 原因在于差動(dòng)變壓器輸出信號(hào)中的 零點(diǎn)殘余

6、電壓影響 傳感器的精度 、 線性度和分辨力 。 因此 , 零點(diǎn)殘余電壓的大 小是評(píng)價(jià)差動(dòng)變壓 器式位 移傳感器 優(yōu)劣的 一項(xiàng)重 要指標(biāo) 。 為了極大限度地消 除零點(diǎn) 殘余電壓 , 提 升其各 項(xiàng)靜態(tài)和 動(dòng) 態(tài)指標(biāo) , 除改良它的硬件結(jié)構(gòu)外 , 對(duì)檢測(cè) 系統(tǒng)進(jìn)行深入細(xì)致 的研究很 有 必要 。 經(jīng) 過(guò) 多次 論 證 和 測(cè)試 證 實(shí) :采 用 Lab -V I E W 開(kāi)發(fā) 平臺(tái)軟件和 硬件 相結(jié) 合的 方式 , 對(duì) 差動(dòng) 變壓 器 式位移傳感器輸出 信號(hào)進(jìn) 行檢測(cè) , 效果 非常好 。 與傳統(tǒng) 檢 測(cè)手段相比 , 零殘電壓明 顯降低 ; 分 辨力 、 穩(wěn)定性 和精度 均 大大提高 。1 零點(diǎn)殘

7、余電壓產(chǎn)生的機(jī)理差動(dòng)變壓器是一 種線圈互感隨銜鐵位移而變化的轉(zhuǎn)換 器 。 差動(dòng)變壓器的等效電路如 圖 1所示 。收稿日期 :2005-10-21圖 1 差動(dòng)變壓器等效電路F i g 1 Equi va l ent circuit o f differenti a l transfor m er 其磁路是 開(kāi)放 的 , 次級(jí) 的 2個(gè)線 圈連 接 成差 動(dòng)結(jié) 構(gòu) 。 根據(jù)圖 1可以推算差動(dòng)變壓器輸出電壓的有效值為U o (M 1-M 2 11i,(1式中 M 1, M 2分別為初級(jí) 線圈 L 1與次 級(jí)線圈 L 21, L 22的 互 感 , H ; R 1為初級(jí)線 圈 的電 阻 , ; U i

8、 為初 級(jí) 線圈 的激 勵(lì) 電 壓 , V 。 差動(dòng)變壓 器的互感量與其內(nèi) 部的磁 場(chǎng)變化相 關(guān)聯(lián) , 而磁場(chǎng)的變化又取決 于銜鐵 在開(kāi)磁 路中的 位置 。 因 此 , 在 一定范圍內(nèi) , 只要 銜鐵位移 , 差動(dòng)變壓器的輸出電壓就產(chǎn) 生 相應(yīng)的變化 , 近似 線 性關(guān) 系 , 輸出 電 壓 U o 是銜 鐵 位 移 量 x 的單 值函 數(shù) 。 銜 鐵在 差 動(dòng)變 壓器 的 幾何 中心 位 置時(shí) , 如41 傳 感 器 與 微 系 統(tǒng) 第 25卷 次級(jí)的 2個(gè)線圈的參數(shù)和磁 路尺寸 相等 , 則 M 1=M 2, 參照 式 (1 運(yùn)算 , 此時(shí) , 差動(dòng)變壓 器的輸 出電壓為 零 。 但實(shí) 際

9、制 作時(shí) , 次級(jí) 2個(gè)線圈的電氣 參數(shù)和 幾何尺 寸存在 一定的 差 異 , 所以 , 當(dāng)銜鐵處于中間位置 時(shí) , 定有不平衡輸出 , 即存在 零點(diǎn)殘余電壓 。 零點(diǎn)殘余電壓 包含基波和高次諧波 。 基波 的正交分量使輸出 信號(hào)產(chǎn) 生相移 , 相移 跟隨輸 出信號(hào)的 大 小而變化 。 高次諧波分量是磁性材料磁 化曲線的非線性引 起的 。 零殘電壓的存 在造成 極大的 負(fù)面效應(yīng) , 使 傳感器 在 零點(diǎn)附近測(cè)量時(shí)靈敏度大大降 低 , 分辨力變差 , 測(cè)量誤差增 大 。為了最大限度地 消除零殘 電壓 , 首要 條件是 保證次 級(jí) 2個(gè)線圈的 電氣 參數(shù) 和 幾何 尺 寸的 一致 性 和磁 路的

10、對(duì) 稱 性 。 在此基礎(chǔ)上 , 選擇適宜的補(bǔ)償電路亦是至關(guān)重要的 , 可 進(jìn)一步減小零殘電 壓 。 本方 案使用 圖 2的補(bǔ) 償電 路 , 電 路 中增加了反饋支路 。圖 2 差動(dòng)變壓器零殘電壓補(bǔ)償電路F ig 2 Zero -poi nt re ma i nder vo ltage compens a ti on circuitof differenti a l transfor m er 由于次級(jí) 2個(gè)線圈電氣參數(shù)和幾何 尺寸不可能絕對(duì)對(duì) 稱 , 因此 , 兩線圈電勢(shì) 幅值和 相位均 不相等 , 調(diào)整 電容器 以 及交 /直 流電位器可使電勢(shì)差和相位差減小 , 零殘電壓的基 波分量得到一定

11、的 遏制 。 同 時(shí) , 反 饋支路 又可減 小差動(dòng) 變 壓器的輸入 /輸 出電流 , 使磁路 運(yùn)作于 磁化曲 線的 線性段 , 脫離非線性區(qū)域 , 大大減小了零殘電壓中的諧波分量 。 2 L abV I E W 對(duì)傳感器位移信號(hào)的檢測(cè)2. 1 LabV I E W 簡(jiǎn)介L(zhǎng)ab V IE W 是一種用圖 標(biāo) 代碼 來(lái)創(chuàng) 建應(yīng) 用程 序 的開(kāi) 發(fā) 工具 。 它使用數(shù)據(jù)流 編程方 法來(lái)描 述程序的 執(zhí)行 , 用圖 標(biāo) 和連線編寫程序 。 所以 , Lab V IE W 的編 程即是 圖形和 線條 的組合 。 差動(dòng)變壓器式位移傳感器的非 電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)輸出后 , 通過(guò) Lab V I E W

12、 的軟件進(jìn)行檢測(cè) 。 位移檢 測(cè)程 序是 L abV IE W 環(huán)境下 開(kāi)發(fā) 的虛擬 儀器 軟件 。 圖 3是差 動(dòng) 變壓器位移傳感器的 原理圖 。圖中 , 差動(dòng)放大器僅作為傳感器輸出信號(hào)的電平轉(zhuǎn)移 。 計(jì)算機(jī)是虛擬儀器 載體 , 對(duì)測(cè)量 數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析 、 運(yùn) 算 、 存 儲(chǔ) 硬件 系統(tǒng) 筑的 。 硬件系統(tǒng)是信號(hào) 調(diào)理裝 置和數(shù) 據(jù)采集設(shè) 備的 組合 ; 軟件系統(tǒng)即是 Lab V IE W 的位移測(cè)量虛擬儀器 。圖 3 差動(dòng)變壓器位移傳感器的原理圖F i g 3 P ri nci ple d i agram o f defferenti a l transfor m er -typedis

13、p l ace m ent s ensor2. 2 Lab V I E W 的信號(hào)調(diào)理裝置調(diào)理器對(duì)被測(cè)信號(hào) 實(shí)行隔離 , 以 防被測(cè) 信號(hào)隱 含大 電 壓時(shí)對(duì)后續(xù)電路和計(jì) 算機(jī)的 沖擊 ; 傳感器 的隔離 亦可使 數(shù) 據(jù)采集設(shè)備的測(cè)量免 受因地 勢(shì)差造就 的環(huán)流 的影響 , 從 而 確保測(cè)量的精確性 。 信 號(hào)調(diào)理 器還具 備低通濾 波器 , 可 有 效濾除噪聲和其他種種干擾 , 消除信號(hào)中的高頻分量 , 提 高 信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度 。 低通濾波器的截止頻率可以在軟 件 中設(shè)置 , 并可根據(jù) 濾波效果不斷調(diào)整截止頻率 , 擬求最佳 濾 波效果 。2. 3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備Lab V I E W 的

14、程序 流程 中包 含描 述測(cè) 量 系統(tǒng) 靜態(tài) 特 性 的線性度和靈敏度等內(nèi)容 。 線性度的精確與否關(guān)鍵在于 確 定擬合直線 , 確定 擬合直線有多種方法 , 精確度最高的當(dāng) 屬最小二乘法 。 但最小二乘法人工計(jì)算太繁雜 , 耗時(shí)長(zhǎng) , 又 容 易出錯(cuò) 。 Lab V I E W 的 L i nearF itV I 使用最小二乘法 2, 它便 捷地解決了人工計(jì)算 的繁瑣 問(wèn)題 , 線性度 和靈敏 度的數(shù) 值 即刻顯 示在 L ab V IE W 的 前面板 上 , 且 隨著銜 鐵的移 動(dòng) , 位 移值 、 靈敏度 、 線性度和精度均可以動(dòng) 態(tài)顯示 。 前面板也 可 以展現(xiàn)波形和曲線圖 。2. 4

15、 虛擬相敏檢波器差動(dòng)變壓器的輸出波是調(diào)幅波 。 為了識(shí)別銜鐵的運(yùn) 動(dòng) 方向 , 更為了減小 零殘電壓的影響 , 需要采用相敏檢波器 對(duì) 差動(dòng)變壓器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào) 。 解調(diào)的過(guò)程是對(duì)被檢 信 號(hào)和參考信號(hào)作乘法運(yùn)算 , 從而得到它們的和頻與差頻 , 然 后 , 再通 過(guò)低通濾波器消除 和頻分 量 , 同時(shí) , 亦濾除 零殘 電 壓中的高次諧 波及 基波 正交 分量 , 使 零殘 電 壓趨 于微 弱 。 本例是基于 Lab V IE W 開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)建虛擬相敏檢波 器 , 利 用 軟件對(duì)差動(dòng) 變壓 器的 調(diào)幅 波實(shí) 施解 調(diào) 3。 低通 濾波 器 選 用 Lab V IE W 的 Butter

16、w orth . V I 。 差動(dòng)變 壓器 的激勵(lì) 電壓 是 由信號(hào)調(diào)理裝置提供的正弦波 。 測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)同 頻 同相時(shí) , 最終輸出為全波整 流信號(hào) , 且 是正極值 ; 如 測(cè)量 信 號(hào)與參考信號(hào)同頻反 相時(shí) , 則輸 出信號(hào)為 直流負(fù) 極值 。 由 此證明 :相敏檢波 器具 有鑒 相功 能 , 它能 識(shí) 別銜 鐵運(yùn) 動(dòng) 方 42第 3期 沈申生 :差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)研究 力 , 改善了非線性 , 提高了測(cè)量 精度 。3 信號(hào)調(diào)理裝置中激勵(lì)頻率和幅值的設(shè)置差動(dòng)變壓器的激 勵(lì)頻率與傳感器靈敏度和線性度等指標(biāo)均有密切的關(guān)聯(lián) 。 激勵(lì)頻率增加有利 于提高線圈的品質(zhì)因數(shù) , 增強(qiáng)

17、傳感器靈敏度 。 但如果頻率過(guò)高時(shí) , 導(dǎo)線有效電阻將增加 , 渦流損耗和磁滯損耗加劇 ; 線 圈間的耦合電容影響顯著 , 零殘電壓增大 。 所以 , 頻率過(guò)高時(shí) , 靈敏度 、 分 辨力反而下降 。 如頻率過(guò)低 , 傳感器的靈敏度顯著下降 , 溫度和頻率誤差增大 , 差動(dòng)變壓器的輸出信號(hào)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性 。激勵(lì)頻率的高低應(yīng) 與鐵心 材料相匹 配 , 才能最 大限度地 消除零殘電壓 , 大大提高傳 感器的 靈敏度 、 線性 度和 分辨力 。Lab V IE W 信號(hào)調(diào)理器 中的 激 勵(lì)頻 率是 可以 選擇 的 。 可 以根據(jù)不同的差動(dòng)變壓器選擇與 之匹配的頻率 。 激勵(lì)的幅值與傳感器的靈敏度

18、和線性 度等指標(biāo) 同樣具 有密切 的關(guān)聯(lián) 。增大激勵(lì)電流和電 壓亦可 提高靈敏 度 , 但激勵(lì) 過(guò)大同樣 有損于傳感器的各項(xiàng) 指標(biāo) 。 繞 組的發(fā) 熱將造成 信號(hào) 的漂移 ;磁飽和使零殘電壓 增大 。 激 勵(lì)幅值 太低 , 傳感器 也會(huì)產(chǎn) 生負(fù)面影響 :靈敏度和精度降低 ; 在零點(diǎn)附 近的測(cè)量靈敏度大為下降 。 因此 , 選擇適宜 的激勵(lì) 頻率和 幅值尤 為重 要 。 雖然 L ab V IE W 的信號(hào)調(diào)理器亦可以設(shè)置激勵(lì)幅 值 , 但由 于激勵(lì)頻率和幅值可選 范圍很 寬 , 選 擇最佳 頻率和 最佳幅值 困難重重 。 采用 L abV IE W 的 軟件 編程可 以圓 滿解 決這個(gè) 難題

19、。 方法是以差動(dòng)變壓器等效 電路為模型 , 零殘電壓 、 靈敏度 、 線性度和精度等理想?yún)?shù)作為約束條件 , 優(yōu)化出激勵(lì)頻率或激勵(lì)幅值的最佳數(shù)據(jù) 。 靈敏度是衡 量傳感器性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo) , 差動(dòng)變 壓器的 激勵(lì)頻 率與傳 感器靈敏 度的函數(shù)關(guān)系 是一 條平緩 的拋 物線 。 本 例采用 Lab V I E W 中A rray M ax &M in . V I 篩 選出 差 動(dòng) 變壓 器 輸出 靈 敏度 峰 值(11. 52V /m m 時(shí)的激勵(lì)頻率為 6. 12k H z 。 如把 零殘電壓 、線性度和精度等理 想?yún)?shù) 作為首要 約束條 件 , 而把靈敏 度理想?yún)?shù)的約束 條件

20、置 于其次 , 則 A rray M ax &M in . V I 篩選出差動(dòng)變壓器的最佳激勵(lì)頻 率為 7kH z , 最佳激勵(lì)幅 值為5. 5V 。 表 1為傳感器最佳激勵(lì) 幅值 5. 5V 時(shí) , 不同激 勵(lì)頻率工況下位移傳感器 的各項(xiàng)指標(biāo) 。表 1 不同激勵(lì)頻率位移傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)Tab 1 I ndexes o f d is pl ace m ent sensor a t differentex cit a ti on frequency激勵(lì)頻率 (kH z 零殘電壓(mV 靈敏度(V /mm 線性度(%F . S 精 度 (%F . S 6. 121. 0211. 520.

21、180. 357. 000. 8810. 860. 060. 18 7. 504. 249. 320. 130. 25 移傳感器的靈敏度低于峰值 11. 52V /m m , 但零殘電壓降 為 最低 , 線 性度和精度大大提 高了 , 且差 動(dòng)變壓器 的輸 入 、 輸 出相位基本保持一致 。激勵(lì)電流和電壓的 選擇應(yīng)遵 從三項(xiàng) 原則 :一是 繞組 允 許通過(guò)的電流密度 ; 二是線圈的允許散熱條件 ; 三是激勵(lì) 電 流必須使差動(dòng)變壓器 運(yùn)作于 磁化曲線 的線性 段 , 以減小 零 殘電壓的影響 。表 2是在最佳激 勵(lì)頻 率 7k H z 的工 況下 , 不同 激勵(lì) 電 壓時(shí) , 差 動(dòng)變壓器式位移 傳感器 各項(xiàng)指標(biāo) 的測(cè)量 數(shù)據(jù) 。 可 以看到 :差動(dòng) 變壓器 的激勵(lì) 電壓選 擇 5. 5V 確 系最佳 。 除 靈敏度外 , 位移傳感器的 各項(xiàng)指 標(biāo)都很理 想 。 如激 勵(lì)電 壓 高于 5. 5V , 則磁飽和使 零殘電壓增大 , 雖然靈敏度高一些 , 但線性 度和精度 降低 。 激 勵(lì)低于 5. 5V 時(shí) , 各項(xiàng)指 標(biāo)相 對(duì) 差一些 。 在實(shí)際運(yùn)用中 , 應(yīng)折中考慮靈敏度的選擇 。 表 2 不同激勵(lì)電壓位移傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)Tab 2 I ndexes o