任高林 張學(xué)偉 魏 強 王永亮 譚 旭 齊強強 宋安達

（中國航天空氣動力技術(shù)研究院）

隨著國民經(jīng)濟的不斷增長，設(shè)備的自動化程度在各行各業(yè)中普遍提升，傳感器的使用也越來越多。 差動變壓器式位移傳感器是用來測量移動、振動及膨脹等的高技術(shù)產(chǎn)品，具有精度高、動態(tài)特性好、工作可靠及使用簡單等特點，在化工、航空航天、飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、船舶及鐵路等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。 高新技術(shù)位移傳感器的開發(fā)也逐漸受到重視，新型號、新產(chǎn)品不斷更新迭代，這意味著原來的壽命試驗臺裝置很大程度上不再適用。 但是壽命試驗對差動變壓器式位移傳感器非常重要，其動作時間、可靠性及壽命等指標，對產(chǎn)品的工作性能和經(jīng)濟性影響十分巨大。 因此差動變壓器式位移傳感器每次經(jīng)歷設(shè)計更新、改型或材料改進后，均需進行壽命試驗。 普通的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺，往往是定頻次、定位移，專門用于某特定型號的位移傳感器試驗。 由于缺乏相對應(yīng)的壽命試驗臺，廠家即便是生產(chǎn)出長壽命、亞長壽命的差動變壓器式位移傳感器，也大多是采用原來的壽命試驗臺進行簡單的壽命試驗分析，這種做法只能對差動變壓器式位移傳感器壽命進行定性分析，沒有過多定量數(shù)據(jù)。

差動變壓器式位移傳感器是將被測位移量轉(zhuǎn)換為變壓器線圈的互感變化，它通過動桿和靜桿切割磁感線的動作，將不可視化的位移等參數(shù)轉(zhuǎn)換成可視化的電子信號， 經(jīng)過信號處理器處理，形成直觀的數(shù)字形式。 由于動桿涉及直線來回往復(fù)運動，目前主流上的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺往往采用對心曲柄滑塊機構(gòu)（類似牛頭刨原理）或蝸輪蝸桿形式。 采用對心曲柄滑塊機構(gòu)的工作臺，往往在動桿和靜桿的同軸度上無法長時間保持一定精度，導(dǎo)致壽命試驗臺在長時間連續(xù)工況下的可靠性不高；采用蝸輪蝸桿的工作臺，在同軸度上沒有問題，但是一旦涉及高頻次往復(fù)直線運動， 則需要采用高速齒輪，這會使造價成本過高，往往令生產(chǎn)制造廠家不可接受。 另外，隨著科技的進步，直線電機技術(shù)慢慢趨向成熟。 很多差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺采用了直線電機技術(shù)，但是直線電機在調(diào)整頻次上比較困難，而且一旦涉及高頻次往復(fù)直線運動，直線電機也束手無策，這就導(dǎo)致直線電機在差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺上應(yīng)用十分受限。

筆者介紹的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺克服了上述缺點，不僅在長時間惡劣工況下依舊可以保持較高的同軸度，增加壽命試驗的可靠性， 而且在涉及高頻次往復(fù)直線運動時，仍舊可以滿足設(shè)計要求。 在試驗中，往返次數(shù)、往返位移均可調(diào)節(jié)，因此該差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺可以試驗多種型號的傳感器，給生產(chǎn)制造廠家減輕大量經(jīng)濟負擔［2］。

1 試驗要求

對中國航天空氣動力技術(shù)研究院研發(fā)的新型號差動變壓器式位移傳感器（Y/GE-W22-120）進行壽命試驗，試驗要求具體如下：

a. 溫度-55～150 ℃，工作環(huán)境為高溫加熱箱；

b. 直線來回往返次數(shù)（試驗頻次）為每分鐘120 次；

c. 有效位移為±22 mm；

d. 負載不超過1 kg；

e. 來回往返次數(shù)和有效位移均可自行調(diào)節(jié)。

2 試驗?zāi)康?/h2>

壽命試驗是研究產(chǎn)品壽命特征的方法，是差動變壓器式位移傳感器可靠性試驗中最重要的項目之一，是將產(chǎn)品放在特定的試驗條件下考察其失效隨時間變化的規(guī)律［3，4］。

筆者研制的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺，在上述特定試驗條件下，對新型號位移傳感器進行循環(huán)壽命試驗。 本試驗的目的在于了解新型號位移傳感器的壽命特征、 失效規(guī)律、失效率、平均壽命以及在壽命試驗中可能出現(xiàn)的各種失效模式［5～7］。壽命試驗可以幫助設(shè)計者快速清晰地弄清失效機理，在失效分析的基礎(chǔ)上，提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性，改進新產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 壽命試驗臺的結(jié)構(gòu)組成

筆者研制的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺包括動力源部分、傳動部分、調(diào)節(jié)部分、試驗部分和電控部分5 個模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺的結(jié)構(gòu)組成

3.1 動力源部分

差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺的動力源選擇伺服電機。 伺服電機比步進電機和異步電機運行更加平穩(wěn)， 不會產(chǎn)生類似于步進電機失步的問題， 適合于高精度場合； 高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到2～3 kr/min，適用于有高速響應(yīng)要求的場合。 除此之外，伺服電機還有使用壽命長、抗過載能力強、發(fā)熱少及噪音小等特點。 伺服電機與一般電機相比，啟動轉(zhuǎn)矩大，運行范圍廣，還無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生。 對點動、正/反轉(zhuǎn)適用度高， 非常適合本次差動變壓器式位移傳感器壽命試驗的要求。 伺服電機配合伺服控制系統(tǒng)，可以使物體的位置、方向及狀態(tài)等輸出被控量跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化而變化。 目前差動變壓器式位移傳感器生產(chǎn)制造廠家多采用固定頻率的壽命試驗臺做壽命試驗，檢測效率和精確性低，并不能真實有效地模擬差動變壓器式位移傳感器壽命曲線變化，從而使結(jié)果的真實性大幅降低， 也影響了試驗效率。 所以可改變輸出頻率的伺服電機在差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺中的使用， 顯得尤為重要。

動力源部分結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括伺服電機和電機支架。 伺服電機和電機支架、電機支架與工作臺均采用螺栓連接，可拆卸，靈活方便。 工作臺上表面橫縱布滿間距20 mm 的M6 mm 螺紋孔， 電機機架上也是φ8 mm 的孔，20 mm 間距布置。 這樣設(shè)計有利于電機機架快速方便地安裝。在工作臺面上，任意孔的位置只要合適，都可以用相應(yīng)的M6 mm 螺栓自由固定。

圖2 動力源部分結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 傳動部分

傳動部分由一個柔性聯(lián)軸器、帶梅花鍵的連接軸、蓋板和一個彈簧組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 傳動部分結(jié)構(gòu)

筆者研制的壽命試驗臺采用柔性聯(lián)接。 柔性聯(lián)軸器聯(lián)接伺服電機輸出軸和帶梅花鍵的連接軸的一端。 比起剛性凸緣聯(lián)軸器，柔性聯(lián)軸器具有一定的補償被聯(lián)兩軸軸線相對偏移的能力，降低沖擊尖峰載荷，緩沖減振，同時兼具過載安全保護功能。

傳動部分和下游調(diào)節(jié)部分采用帶梅花鍵的連接軸、蓋板和一個彈簧聯(lián)接。 這種柔性設(shè)計，代替了原來常用的銷鍵聯(lián)接。 彈簧裝在傳動部分和調(diào)節(jié)部分中間，用帶梅花鍵的連接軸壓緊，然后用蓋板和螺釘將傳動部分和調(diào)節(jié)部分聯(lián)接起來。這是一個撓性設(shè)計，具有高扭矩剛性、高靈敏度、零回轉(zhuǎn)間隙及遲滯小等特點， 可進行高精度傳動。 彈簧可以吸收振動，補償徑向、角向和軸向偏差，保證整體同軸度。此撓性設(shè)計對于正/反轉(zhuǎn)、點動等都有優(yōu)異的耐久性。

帶梅花鍵的連接軸上有8 個梅花鍵，均勻布置，可以平衡傳力載荷。 與配合的梅花槽大小尺寸一致，可替換性好，零回轉(zhuǎn)間隙，高扭矩剛性傳遞，非常適合有高速轉(zhuǎn)動要求的場合。

筆者研發(fā)的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺是一種可以進行多種規(guī)格型號的傳感器壽命試驗的裝置， 因此不僅要能滿足有低頻、低速的要求，還要適用有高頻、高速要求的場合。

3.3 調(diào)節(jié)部分

調(diào)節(jié)部分結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該部分由一個凸輪和一個套筒焊接而成，對稱布置。 凸輪上開有一個銷鍵孔，用來進行銷鍵結(jié)構(gòu)聯(lián)接，套筒里的梅花孔與相應(yīng)的上游帶梅花鍵的連接軸聯(lián)接。 凸輪的大小決定了后面直線來回往復(fù)運動的最大位移量。 實際使用過程中，此部分可更換，只需替換此部件，就可以進行不同位移參數(shù)傳感器的壽命試驗。

圖4 調(diào)節(jié)部分結(jié)構(gòu)

市面上，雖然采用對心曲柄滑塊機構(gòu)的壽命試驗臺，也可以將軸向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線來回往復(fù)運動，但是此類工作臺工作時間一長，往往無法保證運動方向始終在同一條水平線上［8］。 這樣會導(dǎo)致測量結(jié)果不準確，而且加劇了差動變壓器式位移傳感器中動桿和靜桿的摩擦，減少了差動變壓器式位移傳感器正常的使用時間，測量結(jié)果往往不能讓設(shè)計者滿意。

筆者研發(fā)的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺就很好地解決了這個問題，調(diào)節(jié)部分采用對稱布置，這樣可以使整個運動系統(tǒng)受力更加均勻，多增加一個支點，加強了軸承軸的剛度，減小力傳遞方向上的分量，可以確保運動方向始終保持在一條水平線上。

3.4 試驗部分

試驗部分由軸承軸、軸承、擋圈、活塞桿和試驗桿組成，如圖5 所示。

圖5 試驗部分結(jié)構(gòu)

軸承軸和活塞桿之間設(shè)有一個軸承，活塞桿是分瓣設(shè)計， 軸承靠軸承軸軸肩和軸向擋圈固定。

活塞桿利用軸承軸上傳遞來的力矩，帶動活塞頭在活塞筒內(nèi)做直線來回往復(fù)運動。 這種活塞式設(shè)計，可以保證活塞頭和活塞筒運動過程中的同軸度，對比對心曲柄滑塊機構(gòu)，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)高速狀態(tài)下的同軸度和可靠性更高。

活塞頭上開有一個螺栓孔， 用于試驗桿聯(lián)接。 試驗桿一端是外螺紋，一端是內(nèi)螺紋，用來聯(lián)接試驗件（動桿）。 動桿實物如圖6 所示。

圖6 動桿實物圖

3.5 電控部分

一般的壽命試驗臺，試驗時間、試驗擋位及數(shù)據(jù)記錄等均由人工操作， 人員勞動強度大，試驗管理混亂［9～12］。

筆者設(shè)計的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺控制系統(tǒng)以單片機可編程控制器為核心，并以觸摸屏為人機交互界面。 操作界面友好，可設(shè)置試驗件試驗時的來回往返次數(shù)和時間，并將數(shù)據(jù)儲存在讀卡器里，用于直接拷貝，并可打印成相應(yīng)的報告。 控制系統(tǒng)通過單片機控制伺服電機的輸出頻率，進而實現(xiàn)差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺可以調(diào)節(jié)試驗次數(shù)的目的。 也正因為出于可以調(diào)節(jié)試驗次數(shù)的想法，選用了更為穩(wěn)定可靠的伺服電機，并在整個差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺中設(shè)計了兩處柔性機構(gòu)，用來提高整個差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺的安全使用壽命。

控制板硬件組成框圖如圖7 所示。

圖7 控制板硬件組成框圖

單片機采用功能強大的8 位單片機，它可以通過時鐘電路來計算試驗頻率，并且通過簡單的通用IO 口的開關(guān)量輸入輸出控制伺服電機驅(qū)動器，檢測報警輸入信號，并在特定條件下驅(qū)動蜂鳴器聲光報警［12～16］。

3.6 其他部分

整個壽命試驗臺裝置除上面介紹的幾部分外，還有一些輔件比較重要。整個裝置搭建在一塊外形尺寸為1500 mm×800 mm×20 mm 的工作臺上， 它的上表面橫縱布滿間距20 mm 的M6 mm螺紋孔（圖8）。

圖8 工作臺

裝置外殼分為上下兩部分（圖9），為可拆式箱體結(jié)構(gòu)。 下部與活塞筒相連的側(cè)板，使用線切割技術(shù)一體成型，這樣保證了活塞筒和活塞運動方向的同軸度，提升了整個試驗裝置的可靠性和一致性。 可拆式箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便安全，安裝和固定簡單。 如果試驗過程中出現(xiàn)故障，只要打開上表面，就可以清楚地看到整個差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，方便及時發(fā)現(xiàn)問題并進行故障處理。

圖9 裝置外殼

活塞筒采用可拆卸連接（圖10），開孔大小和間距與工作臺的螺栓孔保持一致， 這樣可以使用同種規(guī)格螺栓?；钊蚕旅嬖O(shè)有一個減重孔，這樣可以減輕活塞筒的總重量，節(jié)省材料，增加剛度。

圖10 活塞筒

整個試驗臺使用耐熱材料，除伺服電機和電控部分外均可以放在高溫箱里，模擬現(xiàn)實工況環(huán)境，提高試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

4 試驗結(jié)果

本試驗臺針對新研制的兩種型號差動變壓器式位移傳感器 （Y/GE-W22-120 和Y/GE-W14-195）， 分別進行了不低于350 h 連續(xù)工作的壽命試驗，其相關(guān)參數(shù)見表1。通過對試驗后的差動變壓器式位移傳感器進行性能檢測， 發(fā)現(xiàn)工作正常，也證實了本試驗臺可以針對不同位移和頻次的差動變壓器式位移傳感器進行壽命試驗。

表1 兩種型號差動變壓器式位移傳感器連續(xù)工作的壽命試驗參數(shù)

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺是一套自動測試系統(tǒng)。 它通過單片機對控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)部分編程，實現(xiàn)壽命試驗中頻率和位移均可調(diào)節(jié)的目的。 差動變壓器式位移傳感器的壽命試驗可以讓設(shè)計者第一時間獲得第一手資料， 利用差動變壓器式位移傳感器的壽命特征、失效規(guī)律、失效率、平均壽命以及在壽命試驗中可能出現(xiàn)的各種失效模式，對差動變壓器式位移傳感器進行性能提升和完善。

從實踐效果來看，本次研制的差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺可以滿足全部初始試驗要求，并可以真正做到一機多用，在長期無人值守狀態(tài)下工作，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、自動化程度高，實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目的。 為傳感器廠家提供了一種簡單可靠的壽命試驗臺，節(jié)約了大量人力物力成本，具有良好的市場前景，該差動變壓器式位移傳感器壽命試驗臺還可以推廣應(yīng)用于其他類似產(chǎn)品的壽命試驗。