張曉宇　葉子彬

【摘 要】在現(xiàn)代制造業(yè)中，直線位移的測量非常重要。目前的直線位移量傳感器有各自的優(yōu)缺點，文章設計與分析一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，其結構主要由初級和次級構成，具有無刷化、線性范圍大、適應環(huán)境能力強、結構簡單、成本低等優(yōu)點，適用于環(huán)境惡劣、可靠性要求高的位移測量系統(tǒng)中。

【關鍵詞】直線；位移；傳感器

【中圖分類號】TP212.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0089-02

0 引言

隨著科學技術的不斷進步發(fā)展，人們對各種物理參數(shù)的測量要求越來越高。在現(xiàn)代制造業(yè)中，直線位移測量也是非常重要的。目前應用比較多的直線位移量傳感器有感應同步器式、電容式、電感式、光電式、光柵式、磁柵式、霍爾效應式等。這些位移傳感器各有優(yōu)缺點，精度高的制造設備復雜、制造工藝復雜、結構復雜、安裝調(diào)試要求高、成本高，同時對使用環(huán)境要求嚴格，如光柵式直線位移傳感器（如圖1所示）；精度相對低的、線性范圍小的，結構相對簡單、可靠性要求也高，但頻率響應不高，快速動態(tài)測量很難適用，如電感式直線位移傳感器（如圖2所示）。

本文設計分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，其結構主要由初級和次級構成直線位移傳感器（如圖3所示），初級包括初級鐵心及激磁、輸出繞組，次級僅為帶齒的鐵心，具有無刷化、精度高、可靠性高、線性范圍大、適應環(huán)境能力強、頻率響應高、體積小、結構簡單、價格低等優(yōu)點，適合作為直線位移檢測元件用于無刷直線直流電機等直線伺服驅(qū)動電機系統(tǒng)中，也可用于環(huán)境惡劣、可靠性要求高的位移測量系統(tǒng)中。

1 設計原理

本文設計分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，根據(jù)法拉第電磁感應原理可知，當激磁繞組（R1R2）施加交流勵磁電壓ER1R2=Esinωt時，兩個輸出繞組（S1S3、S2S4）中分別產(chǎn)生感應電壓，其幅值主要決定于初級、次級齒間氣隙磁導的大小，即隨氣隙磁導的變化而變化。次級移動一個齒距，氣隙磁導變化一個周期，則輸出電壓幅值就變化一個周期，次級移動一個周期，輸出電壓幅值變化的周期數(shù)等于初級齒數(shù)，其電氣原理圖如圖4所示。

2 設計分析

2.1 樣機設計參數(shù)

磁阻式直線位移傳感器主要技術參數(shù)有勵磁電壓、勵磁頻率、最大輸出電壓及極對數(shù)等，設計參數(shù)有初次級槽數(shù)、初次級長度尺寸、氣隙等。樣機具體參數(shù)見表1。

2.2 結構設計

磁阻式直線位移傳感器主要由初級和次級構成，初級包括初級鐵心及勵磁繞組、正余弦輸出繞組，次級僅為帶齒的鐵心，結構比較簡單。為了保證磁阻式直線位移傳感器運行時的性能指標，必須保證初級、次級之間的氣隙均勻，優(yōu)化初級、次級結構及安裝型式，并合理選擇直線導軌，選取氣隙尺寸為0.3 mm。初級、次級鐵芯僅由沖片組成，并用激光焊接或鉚釘緊固，加工工藝簡單，零部件安裝可靠，初級上面還有勵磁繞組、正余弦輸出繞組，材料選取漆包線，繞線骨架選用尼龍材料注塑成型，套裝在初級齒上。直線位移傳感器整體結構簡單，零部件安裝可靠，選材主要為硅鋼片、漆包線及尼龍材料，因此對環(huán)境適應能力非常強。

2.3 繞組設計

激磁繞組采用等匝集中繞組，每個初級齒上的匝數(shù)：

N1=N/Z1

式中：N為激磁繞組總匝數(shù)；Z1為初級齒數(shù)。

兩個輸出繞組分別采用正弦分布繞組和余弦分布繞組。

正弦分布繞組匝數(shù)：

Nsin=N0sin（i-1）αe

余弦分布繞組匝數(shù)：

Ncos=N0cos（i-1）αe

式中：N0為每個大齒上一相輸出繞組可能的最大匝數(shù)。

3 信號處理應用

由于磁阻式直線位移傳感器是一種模擬型機電元件，在實際中無法滿足伺服系統(tǒng)的數(shù)字化應用，因此要通過設計合適的接口電路，將模擬信號與控制系統(tǒng)數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)化得以實現(xiàn)。

美國AD公司的AD2S90作為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，與控制器之間采用同步串行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具有如下的優(yōu)點：？譹？訛軸角信息提供兩種輸出方式，一是絕對串行二進制輸出（12位），最高傳輸速率為2 Mbps；二是模擬增量式編碼器輸出，A、B和NM信號，相當于1個1024線增量式編碼器。？譺？訛分辨率固定為12位，外圍電路簡單。？譻？訛串行芯片價格便宜，僅為并行芯片的1/5～1/100?；谝陨蟽?yōu)點，AD2S90的分辨率固定，因此幾乎不必設置任何外圍電路，而只需提供正常的工作電源，轉(zhuǎn)換器就能正常運行（如圖5所示）。

4 結語

本文設計分析的直線位移傳感器結構簡單，所用材料主要為硅鋼片、漆包線及工程塑料，除了具有線性范圍大、頻率響應高、成本低等優(yōu)點外，對環(huán)境適應能力也非常強，可用于環(huán)境溫度較高或較低的場合，也可用于高振動、沖擊的環(huán)境。

參 考 文 獻

[1]薛山，溫旭輝，徐志捷.基于AD2S90的數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器[J].電工技術雜志，2003（9）：102-104.

[2]李永清，李振波，申安安，等.高可靠直線位移傳感器[J].儀表技術與傳感器，2007（12）：12-13.

[3]曲家騏，王季秩.伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[4]張曉宇.用于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器仿真設計[J].湖南工程學院學報：自然科學版，2013，23（1）：21-23.

[責任編輯：鐘聲賢]