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(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076; 2.火箭軍駐長控公司軍事代表室，北京 100076)

0 引言

隨著新型戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器的立項研制，要求伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，并能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境和有限的空間結(jié)構(gòu)，同時為了滿足總體滾控伺服作動器齒條位移的測量及反饋，需要將位移傳感器測得的數(shù)據(jù)信號引入伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)對配套使用的特種伺服位移傳感器提出新的更高要求：結(jié)構(gòu)更加小巧、精度更高、可靠性更高、環(huán)境適應(yīng)性更好、壽命更長。

由于位移傳感器廣泛應(yīng)用于伺服作動器位移測量與反饋，其可靠性直接影響伺服系統(tǒng)的性能及可靠性。隨著伺服系統(tǒng)對產(chǎn)品可靠性要求越來越高，為了滿足航天伺服產(chǎn)品的高可靠性和安全性的要求，在滾控伺服作動器齒條位移的測量及反饋中，對位移傳感器在結(jié)構(gòu)空間和重量的提出了非常嚴(yán)格的限制，要求長度方向在53 mm的空間里實(shí)現(xiàn)±22.5 mm位移的測量，安裝方式和外形要根據(jù)型號要求設(shè)計，并且產(chǎn)品總重量不能大于50 g，現(xiàn)有的線位移傳感器無法滿足要求，因此需進(jìn)行小型多冗余分體式結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性的研究和試驗已滿系統(tǒng)性能指標(biāo)要求[1]。

1 分體式多冗余位移傳感器原理和結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

分體式多冗余線位移傳感器是電阻分壓原理，在電阻膜兩端分別施加正負(fù)直流電源，同時在零位位置設(shè)置中心抽頭(即電源地)[2]，電刷在電阻膜上滑動，實(shí)現(xiàn)測量正負(fù)位移的功能。正負(fù)電源和接地導(dǎo)線由鉚釘連接，鉚釘與電阻膜間由導(dǎo)電銀帶連接。為了提高可靠性，采用三冗余設(shè)計的同時，將三組正負(fù)電源及地端分別引出，輸出采用雙點(diǎn)雙線，工作原理見圖1。

圖1 位移傳感器的工作原理圖

分體式多冗余線位移傳感器主要用于運(yùn)載和戰(zhàn)略型號伺服機(jī)構(gòu)信號測量和反饋，在外部供電的情況下將機(jī)械直線位移信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。分體式多冗余線位移傳感器并聯(lián)四冗余直線式電位計式線位移傳感器。位移傳感器骨架上的電阻膜印制導(dǎo)電塑料而制成[3]。導(dǎo)電條與電阻膜同樣是利用導(dǎo)電塑料平行印制印在骨架上，用于輸出信號的引出。在電阻膜兩端分別施加正負(fù)直流電源，同時在電阻膜的中心位置設(shè)置零位中心抽頭(即電源地)，電刷在電阻膜上滑動，實(shí)現(xiàn)測量直線位移信號。正負(fù)輸入電源和接地導(dǎo)線由鉚釘鉚接。為了提高產(chǎn)品的可靠性和適應(yīng)系統(tǒng)表決功能，采用四冗余設(shè)計方案，將四組正負(fù)電源及地端分別引出，輸出采用雙點(diǎn)雙線。并聯(lián)四冗余線位移傳感器結(jié)構(gòu)上采用四冗余設(shè)計，將兩個印制有電阻膜和導(dǎo)電條的骨架在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分體式設(shè)計，每兩個通道在一個骨架上。功能上實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)的緊湊型、分體式四冗余線位移傳感器，并最終實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)線位移的測量和反饋功能。

設(shè)總電阻為2R，行程±S，電源±V，帶中心抽頭(地)，電刷從零位向左滑動距離a，與地間電阻為R1，全行程范圍電阻與線位移成線性關(guān)系。由分壓原理知，輸出V01[4]為[3]：

同樣地，電刷從零位向左滑動距離b時，與地間電阻為R2，輸出V02為：

在電源電壓恒定的情況下，輸出電壓與電刷滑動的距離成正比。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

分體式多冗余線位移傳感器主要由上電阻組件，下電阻組件，上刷握組件，下刷握組件組成如圖2所示。實(shí)現(xiàn)了四個通道電氣相互獨(dú)立的電位計結(jié)構(gòu)。分體式位移傳感器采用四冗余設(shè)計，系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇不同的通道，或者四個通道同時使用。每個通道均含一個直線式印制精密導(dǎo)電塑料式電位計[5]。上電阻組件和下電阻組件主要由印制電阻膜和導(dǎo)電條和骨架組成，上刷握組件和下刷握組件都是主要由刷握，導(dǎo)電片，電刷組成。與以往的分體式線位移傳感器相比實(shí)現(xiàn)多冗余設(shè)計，電阻膜采用印制導(dǎo)電塑料比噴膜式電阻膜更加耐磨，壽命長[6]，精度高。多冗余分體式位移傳感器的刷握采用了對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提高設(shè)計、裝配過程的容錯率。

圖2 分體式線位移傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖

2 分體多冗余位移傳感器關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 分體式四冗余設(shè)計結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

一種小型新型分體式、多冗余線位移傳感器由兩個雙冗余分體直線式位移傳感器相對安裝(最大可實(shí)現(xiàn)四冗余)，主要由電阻組件和刷握組件組成[7]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電阻組件安裝于滾控作動器殼體上下兩側(cè)中間部位，電阻組件由骨架、電阻體和導(dǎo)電條組成。電阻體由導(dǎo)電液印制在聚酰亞胺層壓板做成的骨架上，經(jīng)多次干燥和聚合等工序，制成電阻體。導(dǎo)電條是為引出信號而專門設(shè)立的，為避免使用運(yùn)動的導(dǎo)線來引出信號，在電阻體旁印制一層銀帶，電位計的電刷橫跨電阻體和導(dǎo)電條，將電壓信號引到導(dǎo)電條上，然后，通過兩端的金屬化孔焊線引出。

刷握組件由刷握、導(dǎo)電片和電刷絲組成，電位計的刷握組件安裝在伺服作動器柱塞的齒條上，與柱塞運(yùn)動狀態(tài)完全一致。刷握組件的作用為支承電刷，電刷用來拾取與齒條位移成比例的電壓，它耐磨且富有彈性，在受振動、沖擊的情況下，能可靠地工作。鈹青銅導(dǎo)電片上焊有電刷絲，通過螺釘固定在刷握上。柱塞通過刷握組件帶動電刷相對于殼體直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)滾控柱塞的直線位移量測量。

2.2 耐高溫高精度技術(shù)實(shí)現(xiàn)

一種小型新型分體式、多冗余線位移傳感器的電壓拾取是通過電刷組件在電阻組件上平行滑動實(shí)現(xiàn)的，本傳感器的 電阻組件由骨架、電阻體和導(dǎo)電條組成，其中電阻體和導(dǎo)電條同時印制在骨架上，電阻體由高溫導(dǎo)電塑料制成。電阻體的長度即為傳感器的電氣行程。 骨架材料選用了XXX科技有限公司生產(chǎn)的剛性熱固性聚酰亞胺板D764X(Q/XXXXX/41-2012)。聚酰亞胺是一種新型的芳雜環(huán)高聚物，它具有優(yōu)異的機(jī)械、介電、耐磨、耐高低溫、耐輻射等綜合性能，供貨渠道可靠、穩(wěn)定。導(dǎo)電條與電阻膜同時印制在剛性熱固性聚酰亞胺板D764X上。導(dǎo)電條是為引出信號而專門設(shè)立的，從而避免了使用運(yùn)動的導(dǎo)線來引出信號。傳感器的電刷橫跨電阻體和導(dǎo)電條，將電壓信號引到導(dǎo)電條上，然后，通過與之相連的導(dǎo)線引出。

采用高溫高精度導(dǎo)電塑料傳感器技術(shù)與傳統(tǒng)的的噴膜式傳感器設(shè)計相比，具有耐高溫(短時可以達(dá)到200℃，能夠在工作環(huán)境溫度為150℃情況下正常工作，溫漂小于50 mV)、高壽命，線性度高(初始線性度即可滿足要求小于1%)、工藝簡單，同時縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

2.3 結(jié)構(gòu)緊湊零位輸出可調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

分體式多冗余位移傳感器配合滾控伺服作動器的工作方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，采用了一種新穎便捷的零位微調(diào)節(jié)設(shè)計方案，攻克了分體多冗余位移傳感器零位調(diào)節(jié)的難題，保證零位不重合度不大于20 mV；滿足系統(tǒng)零位輸出一致性要求，提高測量和反饋的精度，減化整機(jī)系統(tǒng)軟件補(bǔ)償工作[9]。

多冗余分體式位移傳感器因其分體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必然存在各自獨(dú)立輸出的傳感器零位重合性差問題，傳感器各通道零位電壓輸出測量值偏差在200 mV左右(伺服系統(tǒng)的設(shè)計零位電壓輸出偏差范圍是不大于20 mV)，優(yōu)化設(shè)計的零位微調(diào)節(jié)裝置，將導(dǎo)電片和刷握的安裝孔設(shè)計成腰形孔，在工裝上將刷握固定，通過電刷組件的前后微調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電刷零位輸出的一致性，來滿足系統(tǒng)零位輸出電壓的性能指標(biāo)值。優(yōu)化設(shè)計前后的的導(dǎo)電片的結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

圖3 導(dǎo)電片(改進(jìn)前) 圖4 導(dǎo)電片(改進(jìn)后)

改進(jìn)后的電刷零位安裝結(jié)構(gòu)在實(shí)驗室進(jìn)行零位微調(diào)節(jié)試驗。在給傳感器加電壓后，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)電片的前后位置，改變零位的輸出電壓，直到在20 mV之內(nèi),改進(jìn)后零位輸出電壓可以實(shí)現(xiàn)2.76 mV輸出。

2.4 電刷優(yōu)化設(shè)計

電刷組件由電刷、刷握等組成，刷握安裝在伺服作動器齒條上，用以支承電刷，電刷用來拾取與齒條位移成比例的電壓，它應(yīng)耐磨，富有彈性，在受振動、沖擊的情況下，應(yīng)能可靠地工作。采用多指型電刷絲提高電刷的可靠性[5]，在根部采用無鉛焊錫焊接，電刷結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電刷結(jié)構(gòu)圖

為了計算電刷的接觸壓力，電刷的彈性變形量取為1 mm，電刷材料的彈性模量153000 N/mm2，材料為PdIr18合金絲，電刷絲直徑0.2 mm)，理論計算的電刷的接觸壓力為0.0458 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計值0.1 N的設(shè)計要求，滿足設(shè)計要求。

電刷接觸壓力是影響電位計使用壽命的關(guān)鍵因素，在電刷材料的彈性模量固定的前提下，通過最佳電刷壓縮量計算(即在保證電刷與膜面接觸可靠性又要減少電刷對導(dǎo)電塑料電阻膜的磨損的前提下的最佳接觸壓力設(shè)計)后[10]，優(yōu)化電刷的剛度以及刷絲的壓縮量。但是，電刷組件的實(shí)際受力和約束狀況比較復(fù)雜，不能用懸臂梁彎曲狀態(tài)進(jìn)行近似，因此利用Ansys11.0軟件進(jìn)行整體受力分析，電刷組件受力情況如圖6所示。

圖6 電刷組件受力情況示意圖

在A處電刷組件安裝孔位置受固定約束，在B處受Z軸方向上的位移約束，在C處即電刷與電阻片接觸的地方受沿Z軸方向上0.15 N的力。

如圖7和圖8所示，電刷與電阻片接觸點(diǎn)在Z軸方向上的位移為1.8 mm，在電刷下端的彎折處內(nèi)應(yīng)力最大，為684 MPa，小于鈀銥合金絲的抗拉強(qiáng)度905 MPa。因此，當(dāng)電刷與電阻片接觸點(diǎn)沿Z軸方向位動1.8 mm時，其接觸壓力為0.15 N，滿足設(shè)計要求。

圖7 電刷在Z軸方向的位移圖

圖8 電刷內(nèi)應(yīng)力圖

為了解決滾控線位移特性測量過程中都出現(xiàn)了零位電壓輸出滯后的現(xiàn)象，零位電壓輸出滯后直接影響伺服系統(tǒng)中影響伺服系統(tǒng)靜、動態(tài)性能指標(biāo)。系統(tǒng)作動器的試驗數(shù)據(jù)圖像記載如圖9所示。

圖9 優(yōu)化設(shè)計后的電刷示意圖

通過分析此問題主要是由于電刷絲的寬度過寬造成了電刷絲在運(yùn)動的過程中和中心抽頭相碰，造成了電刷絲的劈開，從而使傳感器在零位附近輸出異常，針對這種現(xiàn)象對電刷進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過電阻膜的寬度和公差的范圍的計算分析如下， 電阻膜印制在骨架上，如圖2中的電阻組件上，電阻膜的寬度為5，-0.18的公差，兩個中心抽頭深入電阻膜的長度分別為1 mm，由操作者老保證，無法給出具體的公差范圍。

電刷的寬度尺寸為2，公差無法給出，由焊接工裝來保證，單邊的設(shè)計余量為：

(5-1-1-2)/2=0.5

優(yōu)化設(shè)計后電刷的寬度尺寸為1.4，由以前的10根絲變成了7根絲，電刷寬度由2 mm變成1.4 mm。單邊的設(shè)計余量為：

(5-1-1-1.4)/2=0.8

改進(jìn)電刷后的優(yōu)化設(shè)計滾控線位移特性曲線如圖10所示，改進(jìn)后的設(shè)計滾控位移特性性能明顯提高，改善了伺服系統(tǒng)的輸出性能，有助于戰(zhàn)略型號的可靠性提高。

圖10 滾空線位移特性圖像(散絲-無散絲)

3 實(shí)驗結(jié)果與分析

多冗余分體式線位移傳感器在傳統(tǒng)式的分體式線位移傳感器的設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)四冗余可靠性結(jié)構(gòu)，采用印制導(dǎo)電塑料式電阻膜[11]，主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)驗數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 分體式多冗余位移傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

通過實(shí)驗數(shù)據(jù)分析：導(dǎo)電塑料電阻膜線性度可以實(shí)現(xiàn)0.09～0.89范圍內(nèi)大部主要集中在0.09～0.50的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的噴膜式電阻膜的線性度，且導(dǎo)電塑料分體式線位移傳感器高溫可以達(dá)到200℃，在150℃高溫環(huán)境下可以正常工作，同時傳感器的溫漂小于50 mV[6]，其耐高溫性能提高。通過靈位可調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)零位輸出電壓小于20 mV，零位輸出電壓可控可調(diào)大大提高了系統(tǒng)可靠性，多指型點(diǎn)數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，提高了傳感器的壽命，其他性能指標(biāo)均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

4 結(jié)論

小型高可靠分體式多冗余位移傳感器研制是由于傳統(tǒng)的分體式電位計難以滿足新型運(yùn)載和戰(zhàn)略型號的發(fā)展需求，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)性優(yōu)化設(shè)計用于伺服系統(tǒng)的配套測量和反饋。小型高可靠分體式多冗余位移傳感器采用了四冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，印制導(dǎo)電塑料電阻膜，新型零位可調(diào)設(shè)計，優(yōu)化電刷設(shè)計提高線位移傳感器的可靠性，耐高溫性，高精度性，試驗驗證了改進(jìn)設(shè)計方案的有效性。對伺服系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性大幅提高，對戰(zhàn)略系統(tǒng)的可靠性和實(shí)現(xiàn)全方位發(fā)射具有重要意義，從而具有重大的社會、經(jīng)濟(jì)效益和推廣價值。

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