張永超, 趙錄懷, 龐鵬飛

(1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西 西安 710018；2.西安交通大學(xué) 電氣學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

差動(dòng)變壓器式傳感器(下稱傳感器)具有準(zhǔn)確度高、線性度好、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、使用壽命長和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，傳感器的初級線圈通常采用銅質(zhì)漆包線，銅線圈的溫度穩(wěn)定性差，抗腐蝕能力弱，溫度變化引起電阻的變化較大，導(dǎo)致傳感器輸出電壓發(fā)生變化引起誤差，進(jìn)而影響傳感器的靈敏度和測量精度[1～4]。

鎳鉻合金導(dǎo)線具有溫度穩(wěn)定性好、抗腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[5]，本文比較了基于鎳鉻合金導(dǎo)線和銅質(zhì)導(dǎo)線為初級線圈的傳感器測量系統(tǒng)，系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理電路、現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)和顯示電路組成[6～9]。試驗(yàn)結(jié)果表明采用鎳鉻合金導(dǎo)線比銅質(zhì)導(dǎo)線組成的系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性好、測量精度高。

1 兩種材質(zhì)線圈的傳感器溫度誤差分析

1.1 兩種材質(zhì)線圈的溫度變化參數(shù)比較

根據(jù)實(shí)際情況選擇直徑0.5 mm，長30 m的銅導(dǎo)線和鎳鉻合金導(dǎo)線作為初級線圈材質(zhì)，其導(dǎo)線電阻率為

ρ(T)=ρ0(1+α(T-T0))

(1)

式中ρ0為在溫度T0下的電阻率，ρ(T)為溫度T時(shí)的電阻率，α為電阻溫度系數(shù)。再結(jié)合公式R=ρl/s計(jì)算出電阻，通過計(jì)算兩種材質(zhì)電阻變化如表1所示。

表1 兩種材質(zhì)溫度變化參數(shù)比較

由表1中可知，在相同規(guī)格下，溫度每上升20 ℃鎳鉻合金導(dǎo)線的電阻變化率比銅導(dǎo)線小7.98 %。

1.2 兩種材質(zhì)線圈的傳感器溫度誤差分析

傳感器由初級線圈、2個(gè)次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。其等效電路如圖1所示。

圖1 差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)x時(shí)M1>M2，22增加,22減小。反之，22增加，21減小。因2=21-22，所以當(dāng)21,22隨著銜鐵位移x變化時(shí)，2也必將隨x變化。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式為

(2)

(3)

則

(4)

式中r1為初級線圈的內(nèi)阻，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)U2=f(r1)，r1又是T的函數(shù)，則U2=g(T)。

傳感器的初級線圈材質(zhì)分別為銅和鎳鉻合金時(shí)的輸出電壓分別Ucopper是和Ualloy，當(dāng)溫度變化時(shí)ΔUcopper>ΔUalloy，按照傳感器原理ΔUcopper和ΔUalloy的變化只能是x的函數(shù)。

因此，當(dāng)溫度變化時(shí)銅線圈比鎳鉻合金線圈引起的電壓變化量大，即引起的誤差大。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

差動(dòng)變壓器激勵(lì)信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生，本文設(shè)計(jì)了基于銅和鎳鉻合金導(dǎo)線為初級線圈的傳感器、信號調(diào)理電路、FPGA和顯示電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 差動(dòng)變壓器傳感器的激勵(lì)信號選取

傳感器的激勵(lì)電壓的頻率和幅值，與傳感器的靈敏度、線性度和零點(diǎn)殘余電壓有直接的關(guān)聯(lián)。

提高激勵(lì)頻率有利于提高線圈的品質(zhì)因數(shù)和傳感器的靈敏度。如果激勵(lì)頻率太高，導(dǎo)體的有效電阻將增加，渦流損耗和磁滯損耗將增加。線圈間耦合電容的影響增強(qiáng)，零剩余電壓增加。

增加激勵(lì)幅度可以提高靈敏度，幅值過大繞組加熱將會(huì)增加，將導(dǎo)致行溫度漂移，磁飽和增加了零剩余電壓。如果激勵(lì)幅度太低，精度和靈敏度會(huì)降低，零點(diǎn)附近的測量靈敏度急劇下降。

基于此，試驗(yàn)設(shè)備選擇TFG2015A型號的信號發(fā)生器。選取激勵(lì)的頻率為6 kHz，幅值為2 Vpp進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得傳感器的輸出電壓在50～520 mVpp之間變化。

2.3 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

傳感器輸出信號為交流信號，F(xiàn)PGA的A/D輸入電壓范圍為直流0～3 V，通過信號調(diào)理電路將傳感器輸出的交流信號調(diào)理為直流0～3 V，信號調(diào)理分為兩步：整流濾波;信號放大。

整流濾波電路采用運(yùn)算放大器集成電路芯片OP07，設(shè)計(jì)的電路為正半波整流電路，輸入信號從運(yùn)算放大器的反相端輸入，通過半波整流電路將正弦信號下半部濾除，只保留上半波形，達(dá)到整流電路的設(shè)計(jì)目的。在半波整流后的輸出端連接一個(gè)π型濾波電路，使得脈動(dòng)電壓的交流分量大部分降落在電阻的兩端，少部分降落在負(fù)載上，起到濾波作用，整流濾波電路如圖3所示。

圖3 整流濾波電路

信號放大電路采用OP07芯片，用T型電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)反饋，可以在減小溫漂誤差的同時(shí)，又獲得較大的放大倍數(shù)和較高的輸入電阻，T型電阻網(wǎng)絡(luò)放大電路如圖4所示。

圖4 T型電阻網(wǎng)絡(luò)放大電路

2.4 主控芯片及顯示電路設(shè)計(jì)

主控芯片選用CYCLONE Ⅱ系列型號為EP2C8T144C8的芯片，顯示電路選用1602LCD液晶顯示器。

3 測試分析

為了比較鎳鉻合金導(dǎo)線和銅導(dǎo)線因溫度變化引起系統(tǒng)誤差的大小，進(jìn)行試驗(yàn)比較。

試驗(yàn)具體步驟為：1)對差動(dòng)放大器調(diào)零;2)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償;3)選取頻率6 kHz，幅值為2 Vpp的激勵(lì)電壓;4)旋轉(zhuǎn)螺旋測微器使差動(dòng)變壓器的鐵芯由上至下移動(dòng)，每移動(dòng)1 mm，通過LCD顯示器觀察并記錄輸出電壓。重復(fù)10次試驗(yàn)步驟，取其平均值，記錄鐵芯位移和對應(yīng)輸出電壓，繪制位移與輸出電壓關(guān)系曲線。

在初級線圈為銅和鎳鉻合金導(dǎo)線，溫度為20，40 ℃的情況下，分別試驗(yàn)并繪制位移與輸出電壓關(guān)系如圖5所示。

圖5 位移與輸出電壓的關(guān)系

由圖5可知，20，40 ℃時(shí)，傳感器初級線圈為銅導(dǎo)線時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓最大值分別為4.94，5.33 V，即溫度升高20 ℃引起的相對誤差為(5.33-4.94)/4.94，約為7.9 %。

4 結(jié) 論

20 ℃和40 ℃時(shí)，傳感器初級線圈為鎳鉻合金導(dǎo)線時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓最大值分別為5.01 V和5.06 V，即溫度升高20 ℃引起的相對誤差為 (5.06-5.01)/5.01， 約為1.0 %。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度由20 ℃升高到40 ℃時(shí)，采用鎳鉻合金比銅質(zhì)導(dǎo)線組成的系統(tǒng)其輸出電壓的相對誤差減小了6.9 %。