摘要:LVDT(Liner Variable Differential Transformer)傳感器是一種差動變壓器式傳感器,用于將機械位移信號轉(zhuǎn)換成電信號,具有工作環(huán)境適應(yīng)性強、可靠性高、輸出精度高、線性度好等顯著特點?,F(xiàn)以Maxwell為基礎(chǔ),分析LVDT傳感器電磁性能仿真過程,以提高LVDT傳感器產(chǎn)品設(shè)計效率。
關(guān)鍵詞:LVDT;電磁性能;仿真設(shè)計
0? ? 引言
隨著5G時代到來,航空航天領(lǐng)域信息化、自動化水平進一步提高,LVDT傳感器也憑借其靈敏度高、線性度好、分辨率高、使用壽命長等優(yōu)點而得到廣泛使用。LVDT傳感器主要由線圈架、鐵芯、初級線圈、次級線圈以及閉磁筒等零部件組成。受磁性材料、線圈繞制等因素影響,“計算—試制—測試—重新計算—再試制—再測試”的傳統(tǒng)設(shè)計方式已無法滿足產(chǎn)品迭代更新和高質(zhì)量要求。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,CAD/CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中得到了推廣使用,利用Ansys系統(tǒng)中Maxwell模塊進行傳感器線圈電磁性能仿真計算,可提高工作效率及產(chǎn)品質(zhì)量。
1? ? LVDT工作原理
LVDT傳感器采用差動變壓器原理設(shè)計,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將機械位移信號轉(zhuǎn)換成電信號。如圖1所示,差動變壓器結(jié)構(gòu)由1個初級線圈、2個次級線圈及鐵芯組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,當(dāng)在初級線圈施加激勵交流電壓Ui時,次級線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓,將2個次級線圈反極性串接,由于2個次級線圈輸出電壓U1、U2相位相反,將二者疊加后,在兩個次級線圈產(chǎn)生電位差U0。當(dāng)鐵芯處于中心位置時,U1=U2,疊加后的輸出電位U0=0;而當(dāng)鐵芯隨被測物移動產(chǎn)生位移時,U0產(chǎn)生變化。在一定的范圍內(nèi),U0的大小與鐵芯距離中心對稱位置的位移量成正比,該區(qū)間為傳感器的有效行程工作區(qū)間。據(jù)此,通過檢測U0輸出值的大小,便可得知鐵芯位移變化量。
2? ? 傳感器輸出特性計算
LVDT傳感器電氣原理圖如圖1所示,為了便于分析計算,將線位移傳感器看作是一個理想變壓器,忽略鐵損、耦合電容和渦流損耗對傳感器性能的影響。當(dāng)次級線圈開路時,初級線圈的電流為:
U0的值反映傳感器鐵芯的位移量x,但其大小受輸入量i的影響,當(dāng)i受到干擾或由于其他原因產(chǎn)生變化及波動時,U0值的變化就不再準(zhǔn)確反映鐵芯位移量的變化,故實際應(yīng)用中常使用d=來反映傳感器鐵芯的位移量。
3? ? 電磁性能仿真計算
Ansoft Maxwell作為著名的商用低頻電磁場有限元軟件之一,在各工程電磁領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用;它在保證計算準(zhǔn)確性和快捷性的前提下,能夠分析靜態(tài)及瞬態(tài)磁場,較好地滿足了LVDT的建模、仿真計算要求。
3.1? ? LVDT建模
以電氣行程為±7 mm、LVDT增益值為±0.5、輸出線性度為±0.5%FS技術(shù)條件要求的產(chǎn)品為例進行建模分析。由于鐵芯是圓柱體結(jié)構(gòu),初級線圈、次級線圈均為環(huán)形繞組,利用Maxwell 2D建模(圖2),忽略外殼及線圈架等非導(dǎo)磁材對仿真計算結(jié)果的影響。對線圈架、鐵芯、閉磁筒等金屬材料賦予相應(yīng)的材料屬性,確定線圈架等結(jié)構(gòu)尺寸后,對各個區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,設(shè)定初級線圈匝數(shù)為2 400匝,次級線圈匝數(shù)為1 500匝,鐵芯直徑為3 mm,長度為26 mm,導(dǎo)入外部電路,設(shè)置激勵電壓及電阻等參數(shù),確定運動部件參數(shù),定義為線性運動,運動范圍為-7 mm至7 mm,每隔1 mm求解一次進行仿真計算。
3.2? ? 仿真分析
LVDT輸出增益、精度等參數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)受次級線圈感應(yīng)電壓值影響,可通過次級線圈結(jié)構(gòu)、匝數(shù)以及鐵芯長度來調(diào)整次級線圈感應(yīng)電壓值。根據(jù)次級線圈電壓值計算LVDT增益值(圖3),并對增益值按最小二乘法進行線性擬合(圖4),計算各整數(shù)點精度均滿足±0.5%FS(表1),通過線性擬合可得LVDT靈敏度為0.071 4 V/mm,非線性度誤差為0.22%FS,精度為0.25%FS,符合LVDT參數(shù)要求。
4? ? 試驗驗證
為了對該仿真結(jié)果進行驗證,按仿真確定LVDT鐵芯、線圈架、閉磁筒等零件參數(shù)加工機械零件,再按初級線圈、次級線圈參數(shù)要求加工制作LVDT,并在水平測長儀上進行測試,初級線圈接通3 V、3 kHz正弦波信號,通過伺服電機移動鐵芯位置,測量次級線圈輸出電壓U1、U2,通過電壓值計算LVDT輸出增益,并與仿真值進行比較(表2),可知仿真結(jié)果與實際加工產(chǎn)品試驗結(jié)果差異不大,均滿足LVDT技術(shù)調(diào)點要求。
5? ? 結(jié)語
利用Ansoft Maxwell進行仿真計算,打破了“計算—試制—測試—重新計算—再試制—再測試”的傳統(tǒng)設(shè)計方式,縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期,且LVDT產(chǎn)品輸出精度、線性度等得到了有效提高,產(chǎn)品性能穩(wěn)定性得到了改善。
本文對LVDT利用Maxwell進行仿真工作進行了研究,通過仿真工作可縮短LVDT研制周期、降低生產(chǎn)成本、滿足交付進度要求,并可快速有效地判斷LVDT輸出精度、增益值、線性度是否滿足技術(shù)參數(shù)要求,為傳感器系列化發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。
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收稿日期:2020-03-18
作者簡介:鄧小雄(1983—),男,湖南郴州人,工程師,研究方向:LVDT產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計。