胡萬玉

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741020）

1 概述

差動(dòng)變壓器以其結(jié)構(gòu)簡單、良好的環(huán)境適應(yīng)性、靈敏度高、測量精度高、線性度好、輸出穩(wěn)定且輸出曲線光滑以及驅(qū)動(dòng)力小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)各種線位移的測量與轉(zhuǎn)換、儀表儀器以及傳感器技術(shù)當(dāng)中。本文介紹一種差動(dòng)變壓器在給定線性位移的情況下輸出一定的可控電氣量，從而實(shí)現(xiàn)主令控制的應(yīng)用。針對設(shè)計(jì)制造、試制調(diào)試的過程中出現(xiàn)的各種問題，分析了差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因和對實(shí)際電氣控制的影響，以及差動(dòng)變壓器的幾何形狀尺寸、電和磁的各種參數(shù)的對稱性對零點(diǎn)殘余電壓的影響。

2 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理

差動(dòng)變壓器的工作原理是將非電量的位移變化變換成線圈的互感變化，它本身是一種互感式變壓器。當(dāng)變壓器的互感量隨位移的變化而變化時(shí)，輸出電壓將相應(yīng)發(fā)生變化。常用的螺旋式差動(dòng)變壓器由銜鐵、一次線圈、二次線圈和線圈骨架組成，如圖1所示。一次線圈作為變壓器激勵(lì)用，二次線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)相同的線圈反相串接而成，二次線圈因互感產(chǎn)生感應(yīng)電勢。其感應(yīng)電勢的理論計(jì)算如下：

輸出電勢總和為：

圖1 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理

當(dāng)銜鐵處在中間位置時(shí)，若兩個(gè)二次線圈參數(shù)及磁路尺寸相等，則 M1＝M2＝M，可得 E0＝－jω（M1－M2）I1＝0。

當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，M1≠M(fèi)2，變壓器處在差動(dòng)工作狀態(tài)，M1＝M＋ΔM M2＝MΔM，一定范圍內(nèi)差值ΔM與銜鐵軸向位移X成正比，在負(fù)載開路的情況下，其輸出電勢為：E0＝－jω（M1－M2）I1＝－jω［（M＋ΔM）－（MΔM）］I1＝－jω2ΔMI1＝－jω2ΔMEi/（R1＋jωL1）。其中M1、M2分別為一次與二次線圈之間的互感；L1、R1為一次線圈的電感和電阻；Ei為一次線圈的激勵(lì)電壓；E21、E22分別為兩個(gè)二次線圈的感應(yīng)輸出電勢；E0為差動(dòng)輸出電勢；X軸上示出銜鐵偏離中心位置的距離。其輸出電勢與銜鐵位移之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 差動(dòng)變壓器的輸出特性

3 差動(dòng)變壓器在腳踏主令控制器中的應(yīng)用

腳踏主令控制器是一種應(yīng)用于石油電控系統(tǒng)中的電氣控制器件，該器件是操作人員通過腳踩踏板的方式，使一組四桿機(jī)構(gòu)在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)一個(gè)偏心的凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞給差動(dòng)變壓器的銜鐵產(chǎn)生一定的線性位移，差動(dòng)變壓器由于銜鐵的位移而輸出相應(yīng)可控的電氣量，從而實(shí)現(xiàn)了電氣控制的要求。該器件的電氣性能要求為輸入50Hz、220V 交流電壓，當(dāng)腳踏板在 0－26°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出電壓能在0－18V范圍內(nèi)均勻變化。

腳踏主令控制器的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。腳踏板2一端開啟，另一端穿套在兩端裝有軸承的踏板軸6上，可繞軸旋轉(zhuǎn)并通過復(fù)位彈簧5復(fù)位。腳踏板2的初始位置及角度行程通過踏板調(diào)節(jié)螺母4調(diào)節(jié)并鎖緊，腳踏板2通過四桿機(jī)構(gòu)3與凸輪軸8相聯(lián)，偏心凸輪7通過鍵連接固定在橫穿于基座9的凸輪軸8上，基座9與腳踏座1、圓筒17相聯(lián)，形成一密閉腔體，凸輪機(jī)構(gòu)與差動(dòng)變壓器安裝在腔體中。銜鐵部件10前端是一頭部嵌有可轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠的圓柱體，該圓柱體與通過螺釘連接于基座9的支撐件11的沉孔面形成可動(dòng)配合，銜鐵通過螺紋連接于圓柱體上，在銜鐵彈簧12作用下可自由作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；銜鐵部件10通過滾珠與偏心凸輪7邊緣緊貼，可減小摩擦，使得銜鐵驅(qū)動(dòng)靈活；繞組13的一端卡在支撐件11的凹槽里，另一端用設(shè)有凹槽的壓板14通過固定螺桿壓緊；外殼是前端與支撐件11螺紋連接、后端有底蓋15的圓筒17，進(jìn)出線通過固定在底蓋15上的電纜引入裝置16引入。該器件結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，外殼材料為不銹鋼或黃銅、鋼材經(jīng)過表面光亮鍍鎳處理，外觀精致，各螺紋連接處均設(shè)有密封圈，外殼防護(hù)等級(jí)可達(dá)到IP44以上。

圖3 腳踏主令控制器結(jié)構(gòu)圖

該器件的四桿機(jī)構(gòu)3和偏心凸輪7的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足圖4所示的腳踏板與凸輪軸的傳動(dòng)特性和圖5所示的凸輪機(jī)構(gòu)的輸入特性要求，當(dāng)腳踏板0－26°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸輪軸可在0－90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，銜鐵的位移在0－18mm范圍內(nèi)呈線性變化。

使用時(shí)，當(dāng)腳踏板2踏下角度φ時(shí)，凸輪軸8轉(zhuǎn)過角度φ1，銜鐵部件10在偏心凸輪7的推動(dòng)下，帶動(dòng)銜鐵在線圈軸線方向產(chǎn)生相應(yīng)的線位移S，從而兩副邊線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓差E，其輸出電壓E與位移S關(guān)系如圖6所示，接近線性關(guān)系。因此，其輸出電壓E與轉(zhuǎn)角φ基本成線性關(guān)系，能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 腳踏板與凸輪軸的傳動(dòng)特性

圖5 凸輪機(jī)構(gòu)的輸入特性

圖6 腳踏主令控制器的輸出特性

4 應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題及解決方法

理論上，當(dāng)差動(dòng)變壓器銜鐵處于線圈中間位置時(shí)，兩個(gè)二次線圈的感應(yīng)電壓應(yīng)該大小相等，方向相反，輸出合成電勢應(yīng)為零。但實(shí)際上由于多種因素的影響，使輸出仍有不平衡電壓，此電壓稱之為“零點(diǎn)殘余電壓”。由于零點(diǎn)殘余電壓的存在，使得該主令控制器的輸出調(diào)零成為一個(gè)關(guān)鍵性問題。

零點(diǎn)殘余電壓是由差動(dòng)變壓器電和磁的各種參數(shù)不對稱產(chǎn)生的。這些因素中除差動(dòng)變壓器兩副邊線圈的幾何形狀尺寸、繞組匝數(shù)、線徑等電的參數(shù)以外，磁回路的對稱性也是一個(gè)非常重要的因素。

在實(shí)際使用中，該主令控制器對零點(diǎn)輸出電壓要求雖不是特別精確，只要求在≤0.2V范圍內(nèi)即可，但在最初的試制過程中零點(diǎn)最低輸出在0.6－3V范圍內(nèi)均出現(xiàn)過，從調(diào)試整改的過程中發(fā)現(xiàn)，主要原因有以下兩方面。

（1）電方面的影響

雖然在設(shè)計(jì)上可以對線圈的各種參數(shù)要求完全對稱，但在制造和工藝上是很難實(shí)現(xiàn)的。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，存在著因線圈的不對稱而造成零點(diǎn)輸出電壓偏高的現(xiàn)象。在測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果將線圈調(diào)頭安裝，再調(diào)最低零點(diǎn)輸出電壓，其值與調(diào)頭前最大可以相差約0.6V左右。這說明由于線圈加工中的誤差會(huì)產(chǎn)生較大的零點(diǎn)殘余電壓。

（2）磁方面的影響

起初設(shè)計(jì)，線圈前端的支撐件11采用經(jīng)鍍鎳處理的黃銅（材質(zhì)H62）材料，后端壓板14采用酚醛層壓絕緣布板，底蓋15采用經(jīng)鍍鎳處理的黃銅（材質(zhì)H62）材料，圓筒17為不銹鋼材料，基座9采用普通鑄鋼，經(jīng)表面鍍鎳處理。其零點(diǎn)輸出電壓竟高達(dá)3V左右，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于支撐件11和壓板14均為非鐵磁性材料，且形狀尺寸差異較大，造成磁路的不對稱，從而產(chǎn)生零點(diǎn)輸出電壓偏高較大的現(xiàn)象。而底蓋15、圓筒17及基座9等部件對輸出的影響則不大。將支撐件11和壓板14均采用鐵磁性不銹鋼材料（材質(zhì)如1Cr13），且對尺寸調(diào)整到近似對稱，其零點(diǎn)輸出電壓可調(diào)整達(dá)到0.2V以內(nèi)。從上述過程可以看出，磁路的不對稱也是產(chǎn)生較高的零點(diǎn)殘余電壓的一個(gè)重要因素。

另外，在更高精度要求的使用中，還可以采用對輸出電壓進(jìn)行電氣補(bǔ)償?shù)霓k法，如加適當(dāng)?shù)碾娮琛㈦娙莼蚣臃答侂娐愤M(jìn)行補(bǔ)償，其方法很多，這里不再贅述。還可以采用增減線圈匝數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法來調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓，理論上是可行的，但實(shí)際操作比較繁瑣。

5 結(jié)束語

由采用差動(dòng)變壓器原理設(shè)計(jì)制造的幾種類似的控制器件的實(shí)際使用情況來看，其性能的穩(wěn)定性、重復(fù)性都比較好，由于器件采用了差動(dòng)變壓器的電磁感應(yīng)方式，不產(chǎn)生摩擦，無磨損，安全可靠，使用壽命長，在石油鉆機(jī)和礦井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)中取得了很好的應(yīng)用效果。

［1］譚祖根，李忠德.檢測自動(dòng)化［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［2］盧肇英譯.傳感器及其應(yīng)用［M］.北京：中國鐵道出版社，1984.

［3］馬西秦.自動(dòng)檢測技術(shù)（第3版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.