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(shù)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院副教授，遼寧 123000

GH系列傳感器國產(chǎn)化技術(shù)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(shù)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)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(dāng)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(chǔ)，依據(jù)國內(nèi)外產(chǎn)品特點，對英國SenSonics公司的產(chǎn)品進行了國產(chǎn)化設(shè)計，開發(fā)出廣泛應(yīng)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(xué)技術(shù)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(shù)產(chǎn)品，并成為新技術(shù)革命的關(guān)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(shù)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(jié)構(gòu)進行了改進，并從材料的選擇方面入手，設(shè)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(jié)構(gòu)特點及基本原理

1.1 差動變壓器結(jié)構(gòu)特點

差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)類型有：螺管型、門型、旋轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(zhì)上是非接觸的，為此傳感器的理論重復(fù)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(yīng)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(zhuǎn)換元件將位移量轉(zhuǎn)換為與其成相應(yīng)關(guān)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(zhuǎn)換為電信號輸出。當(dāng)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(yīng)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(guān)系的電壓。當(dāng)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(dāng)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(nèi)，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(jié)構(gòu)，加工復(fù)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(zhuǎn)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(shè)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(yán)格對稱，所以骨架應(yīng)采用高頻損耗小、膨脹系數(shù)小、抗潮濕性能好的非導(dǎo)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(yīng)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(shè)計

LVDT其主要技術(shù)指標(biāo)有：量程、線性度、靈敏度、頻率響應(yīng)、零點輸出電壓等。設(shè)計的任務(wù)是確定傳感器的結(jié)構(gòu)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(shè)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(fù)雜性，根據(jù)大量的市場調(diào)研，骨架采用1Gr18Ni9Ti鋼管，兩端加線性鐵、絕緣片的二節(jié)式結(jié)構(gòu)。根據(jù)e=4e1+8d公式 取骨架e=52mm。

3.2 鐵芯設(shè)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(dǎo)率，也提高其測量精度，根據(jù)GH/±10傳感器外徑及骨架內(nèi)徑尺寸，鐵芯初步設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)。當(dāng)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(jié)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(xué)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(yīng)用前景。

[1]中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JB/T9527—1999

[2]田欲鵬,姚恩濤,李開宇.傳感器原理第三版.科學(xué)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(shù)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(yīng)用于機械、航天、石油化工等多種領(lǐng)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(nèi)具有較高的知名度。

馮琪玲,女,遼寧工程技術(shù)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院副教授,研究方向：機電工程與數(shù)控加工技術(shù)專業(yè)的科研與教學(xué)工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.046