CN108286932B - 一种高精度两段式差动变压器位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度两段式差动变压器位移传感器，包括铁芯、骨架、绕制在骨架上的初级线圈、矩形次级线圈和壳体，通过矩形次级线圈的对角线将次级线圈均分为三角形次级线圈I和三角形次级线圈Ⅱ，并分别采用三角形台阶交叉绕法进行绕制，即得线圈成品；本发明分析研究其结构特性，使两端式差动变压器位移传感器的精度提高，行程增大，同时结构紧凑，可满足于装备制造、军事设备、石油机械等行业的需求。

Description

一种高精度两段式差动变压器位移传感器

【技术领域】

本发明属于位移传感器与精密电子元器件领域，具体涉及一种高精度两段式差动变压器位移传感器。

【背景技术】

差动变压器线位移传感器具有寿命长、精度高、机械强度好、热漂移低等特点,广泛应用于装备制作、军事设备、石油机械等行业的伺服作动系统中进行直线位移的测量。对于差动式位移传感器来说，结构尺寸、线性测量范围是选型的关键因素。因小型化的需求，结构紧凑、精度高且行程大的位移传感器越来越受青睐。在一定的结构尺寸内若想获得较大的线性测量范围，关键在于线圈的设计。根据LVDT传感器漆包线线圈绕制方法的不同，位移传感器可分为两段式、三段式和多段式三种结构。其中三段式位移传感器线性测量范围较小，约为测杆的10％～25％，但因其对称性及绕制方法简单，常用于小量程比的位移测量；两段式位移传感器，结构示意如图1所示。初级线圈缠满整个骨架长度，因此中间部位产生的均匀变化磁场长度增长，两次级线圈缠绕长度也增加，占了骨架绕线窗口长度的1/2，因此次级线圈线性感应范围也增加了，但线性度较差，基本在10％FS。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种高精度两段式差动变压器位移传感器，提高了位移传感器的精度，增大了行程，提升了线性度。

本发明采用以下技术方案：一种高精度两段式差动变压器位移传感器，包括铁芯、骨架、绕制在骨架上的初级线圈、矩形次级线圈和壳体，矩形次级线圈的绕制方法具体为：

通过矩形次级线圈的对角线将次级线圈均分为三角形次级线圈I和三角形次级线圈Ⅱ，分别沿三角形次级线圈I和三角形次级线圈Ⅱ的长边方向、以宽边为起始端分别将次级线圈I和次级线圈Ⅱ分为q段，q为不等于0的整数；

以位移传感器中心点为坐标原点，铁芯向外伸出的方向为+x方向，铁芯收回方向为-x方向；

将次级线圈I的前q/2段从+x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头；

将次级线圈Ⅱ的前q/2段从-x方向顺次绕制到坐标原点，并将次级线圈Ⅱ的后q/2段从+x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头；

将次级线圈I的后q/2段从-x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头；将次级线圈I的后q/2段的首线头与次级线圈I的前q/2段的尾线头短接，即得绕制好的矩形次级线圈。

进一步地，次级线圈I的总匝数和每一段的匝数满足以下条件：

通过公式的出待绕制次级线圈I的总匝数，通过计算得出待绕制次级线圈I中每一段的匝数，其中，Q为每平方毫米内次级线圈I的匝数，S为铁芯的移动距离；n为绕制后初级线圈的长度的一半。

进一步地，次级线圈Ⅱ的总匝数和每一段的匝数满足以下条件：

通过公式计算出待绕制次级线圈Ⅱ的总匝数，通过计算得出待绕制次级线圈Ⅱ中每一段的匝数W_22-k，其中，Q为每平方毫米内次级线圈Ⅱ的匝数，S为铁芯的移动距离。

进一步地，初级线圈的匝数满足一下条件：

根据待制位移传感器，建立磁通路径cdef，其中，c、d、e、f分别为位移传感器量程内任意不同的点，次级线圈中线其中通过公式

得出磁通路径cdef内初级线圈的匝数N₁，其中，μ₀表示空气中的磁导率，B_y1为在cd段总的磁通密度，B_y3为在ef段总的磁通密度，I为初级线圈中的电流，l_y为cd段到ef段的位置变化量；

由于N₁＝W₁l/2n，则有公式并计算得出初级线圈总匝数W₁，其中，B_m为铁芯端点磁通密度，2n为绕制后初级线圈的长度，2l为铁芯长度，r₁为铁芯外半径，R为导磁外壳内半径。

本发明的有益效果是：本发明通过分析研究两段式差动变压器位移传感器的设计原理及其结构特性，推导出位移与电压的转换关系，通过该设计使原有的两端式差动变压器位移传感器的精度提高，行程增大，同时结构紧凑，提高了传感器的抗振动、冲击、加速度的能力，可满足于装备制造、军事设备、石油机械等行业的需求。

【附图说明】

图1为现有技术中两段式差动变压器位移传感器的结构示意图；

图2为本发明两段式差动变压器位移传感器的等效电路图；

图3为本发明两段式差动变压器位移传感器的磁通密度示意图；

图4为本发明两段式差动变压器位移传感器的磁通路径示意图；

图5为本发明两段式差动变压器位移传感器的绕线示意图；

图6为本发明两段式差动变压器位移传感器的次级线圈绕线示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种高精度两段式差动变压器位移传感器，包括铁芯、骨架、初级线圈P、次级线圈I、次级线圈Ⅱ和壳体，次级线圈I和次级线圈Ⅱ方向串联，行程差动输出。

根据待制位移传感器参数，确定位移传感器的铁芯长度2l、铁芯外半径r₁、导磁外壳内半径R。

根据待制位移传感器，如图2、图3所示，在传感器线圈的外部利用高磁导率的磁性材料制成一个磁屏蔽罩,中间运动的铁芯由高磁导率材料制成。略去端面效应,建立磁通路径cdef，其中，c、d、e、f分别为位移传感器量程内任意不同的点，次级线圈为三角形分布，在铁芯圆截面积内任一点y处的磁通密度其中，B_m为铁芯端点磁密，r表示铁芯任意一点到坐标零点(即为位移传感器的中心点)的垂直距离。按全电流定律(麦克斯韦将安培环路定理推广为全电流定律，是电磁场积分形式的麦克斯韦方程组基本方程之一。它是麦克斯韦所作的假设，其正确性由麦克斯韦方程组所得到的一切结论与实验事实相符合得到验证。其内容为：任意一个闭合回线上的总磁压等于被这个闭合回路所包围的面内穿过的全部电流的代数和)：

则有：

其中，H_y1为dc段的磁感强度，H_y2为ed段的磁感强度，H_y3为ef段的磁感强度，H_y4为cf段的磁感强度；I为初级线圈中的电流，N₁为磁通路径cdef内初级线圈的匝数，由于磁通路径中cd、ef段是处于磁性材料之中，导磁材料的磁阻可忽略不计，得出：

缩减后得出公式

其中，μ₀表示空气中的磁导率，B_y1为在cd段总的磁通密度，B_y3为在ed段总的磁通密度，l_y为cd段到ef段的位置变化量，R为导磁外壳内半径。

若B_l1为磁通路径在cd段上铁芯表面上的磁感强度，B_l3为磁通路径在ef段上铁芯表面上的磁感强度，则B_y1表示在cd段总的磁通密度，B_y3表示在ef段总的磁通密度，rc表示铁芯中心位置到边的任意距离，y₁表示cd段距离，y₂表示ed段距离，y₃表示ef段距离，y₄表示cf段距离，y₁＝y₃，y₂＝y₄，l3表示ef段到坐标轴y的距离，l1表示cd段到坐标轴y的距离，则可得出：

如图4所示，对于距离为l的磁路来说，B_l1＝B_m，B_l2＝0，B_l2为磁通路径在cd段上铁芯表面上的磁感强度，B_m为铁芯端点磁通密度，有由于N₁＝W₁l/2n，得出

根据公式计算得出初级线圈总匝数W₁，其中，2n为初级线圈的长度。

如图5所示，要使次级线圈感知到一个恒定均匀的磁场，在次级骨架挡板有效距离(2n)内选取高温漆包线，分层绕制总匝数W₁的初级线圈并粘牢，不允许叠线，保证初级线圈周围产生一个均匀的磁场。

如初级线圈选用φ0.12的高温漆包线，绕制四层，每层550匝，绕制完后用金手指胶带将其粘牢，防止在后续绕线过程中松动。

将次级线圈均分为次级线圈I和次级线圈Ⅱ，并分别选择高温漆包线，采用三角形台阶交叉绕法进行绕制(可增加线性及量程)，绕制后依次进行灌封、浸漆得到高精度两段式差动变压器位移传感器。

三角形台阶交叉绕法具体为：

通过矩形次级线圈的两个对角顶点所在直线将次级线圈均分为三角形次级线圈I和三角形次级线圈Ⅱ。分别沿三角形次级线圈I和三角形次级线圈Ⅱ的长边方向、以宽边为起始端分别将次级线圈I和次级线圈Ⅱ分为q段，q为不等于0的整数。

通过公式计算出待绕制次级线圈I的总匝数，通过计算得出待绕制次级线圈I每一段的匝数W_21-k，即：第一段待绕制次级线圈Ⅰ的匝数为第二段待绕制次级线圈Ⅰ的匝数为以此类推，分别得出q段待绕制次级线圈Ⅰ的匝数。其中，Q为每平方毫米内次级线圈I的匝数，S为铁芯的移动距离。

通过公式计算出待绕制次级线圈Ⅱ的总匝数，通过计算得出待绕制次级线圈Ⅱ每一段的匝数W_22-k，其中，Q为每平方毫米内次级线圈Ⅱ的匝数。

对于次级线圈I的-x方向的等效磁通匝数链数为：

其中，b表示次级线圈的三角形底边，χ表示次级线圈I的-x方向的距离。

对于次级线圈Ⅱ的-x方向的等效磁通匝数链数为：

次级线圈Ⅱ等效磁通匝数链数为：

求得次级线圈I产生的互感电势有效值为：

其中，ω表示正选波的电角度，M₂₁表示初级线圈与次级线圈的互感系数，f表示激励电源的频率，κ₁代表一个常量，

同理，可得κ₂代表一个常量，κ₁＝κ₂。则有，U₀＝U₂₁-U₂₂＝2κS，可以看出，两段式差动变压器传感器的输出电压U₀与铁芯的位移量S呈线性关系,这样使传感器获得较高的精度,在对其传输和控制中,可以减少其误差得到较好的应用。

以位移传感器中心点为坐标原点，铁芯向外伸出的方向为+x方向，铁芯收回方向为-x方向。

以三角绕法虽然大大的增加了线性范围，但使用漆包线绕制次级线圈的确有些困难，为了使此绕制方法具有工程化，次级线圈绕制方式可进一步细化，采用阶梯交叉绕制，这种绕法减少绕线层数，具体步骤如下：

将次级线圈I中的前q/2段从+x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线并标记首尾线头。

将q段次级线圈Ⅱ中的前q/2段从-x方向顺次绕制到坐标原点，并将次级线圈Ⅱ中的后q/2段+x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头。

将次级线圈I中的后q/2段从-x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头；将次级线圈I中的后q/2段的首线头与次级线圈I中的前q/2段的尾线头短接即得到绕制好的矩形次级线圈。

如图6所示，将次级线圈Ⅰ分成20段，+x方向和-x方向各10段，每段长度5.6mm；选用φ0.07的高温漆包线，从初级线圈的中心向传感器的+x方向按箭头1平绕两层，每层为225匝，用金手指胶带将其粘牢，防止在后续绕线过程中松动。继续绕制剩余在+x方向的次级线圈，按箭头2、3、4平绕一层，每段分别为6.5匝、14.5匝、22.5匝、30.5匝、38.5匝、51.5匝、59.5匝、67.5匝、75.5匝、83.5匝；此处剪断漆包线，绕完后标记好线圈的首尾线头。

选用φ0.07的高温漆包线绕制次级线圈Ⅱ，从初级线圈的中心向传感器的-x方向，按箭头8平绕两层，每层为225匝，用金手指胶带将其粘牢，防止在后续绕线过程中松动；此处不用剪短漆包线，继续绕制剩余在-x方向的次级线圈，按箭头9、10、11平绕一层，每段分别为6.5匝、14.5匝、22.5匝、30.5匝、38.5匝、51.5匝、59.5匝、67.5匝、75.5匝、83.5匝；用金手指胶带将其粘牢，防止在后续绕线过程中松动。此处不用剪短漆包线，继续绕制剩余在+x方向的次级线圈，按箭头12、13、14平绕一层，每段分别83.5匝、75.5匝、67.5匝、59.5匝、51.5匝、38.5匝、30.5匝、22.5匝、14.5匝、6.5匝，金手指胶带将其粘牢，防止在后续绕线过程中松动，绕制完后剪断漆包线，标记好线圈的尾线头。

继续绕制次级线圈Ⅰ，继续绕制剩余在-x方向的次级线圈，按箭头5、6、7平绕一层，每段分别83.5匝、75.5匝、67.5匝、59.5匝、51.5匝、38.5匝、30.5匝、22.5匝、14.5匝、6.5匝，绕完后标记好线圈的首尾线头，用金手指胶带将其粘牢，防止在后续绕线过程中松动，箭头5首线与箭头4的尾线短接。

将绕制好线圈的位移传感器依次进行灌封、浸漆得到高精度两段式差动变压器位移传感器。

本发明阐述了两个次级线圈的演变过程，由矩形分布结构改为三角的分布结构，增加了补偿线圈，该补偿方式具有大量程比高精度的特点，但绕制过程中两个次级线圈容易断线或层间塌陷，使得的可靠性降低；采用阶梯交叉绕法后，解决了空隙坍塌问题，提高了产品的工程生产率，降低了零位电压，增强了传感器的一致性、稳定性、可靠性。

Claims (4)

1.一种高精度两段式差动变压器位移传感器，其特征在于，包括铁芯、骨架、绕制在骨架上的初级线圈、矩形次级线圈和壳体，所述矩形次级线圈的绕制方法具体为：

通过所述矩形次级线圈的对角线将次级线圈均分为三角形次级线圈I和三角形次级线圈Ⅱ，分别沿三角形次级线圈I和三角形次级线圈Ⅱ的长边方向、以宽边为起始端分别将次级线圈I和次级线圈Ⅱ分为q段，q为不等于0的整数；

以位移传感器中心点为坐标原点，铁芯向外伸出的方向为+x方向，铁芯收回方向为-x方向；

将次级线圈I的前q/2段从+x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头；

将次级线圈Ⅱ的前q/2段从-x方向顺次绕制到坐标原点，并将次级线圈Ⅱ的后q/2段从+x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头；

将次级线圈I的后q/2段从-x方向顺次绕制到坐标原点，剪断漆包线标记首尾线头；将次级线圈I的后q/2段的首线头与次级线圈I的前q/2段的尾线头短接，即得绕制好的矩形次级线圈。

2.根据权利要求1所述的一种高精度两段式差动变压器位移传感器，其特征在于，所述次级线圈I的总匝数和每一段的匝数满足以下条件：

通过公式的出待绕制次级线圈I的总匝数，通过计算得出待绕制次级线圈I中每一段的匝数，其中，Q为每平方毫米内次级线圈I的匝数，S为铁芯的移动距离；n为绕制后初级线圈的长度的一半。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度两段式差动变压器位移传感器，其特征在于，所述次级线圈Ⅱ的总匝数和每一段的匝数满足以下条件：

通过公式计算出待绕制次级线圈Ⅱ的总匝数，通过计算得出待绕制次级线圈Ⅱ中每一段的匝数W_22-k，其中，Q为每平方毫米内次级线圈Ⅱ的匝数，S为铁芯的移动距离。

4.根据权利要求3所述的一种高精度两段式差动变压器位移传感器，其特征在于，所述初级线圈的匝数满足以下条件：

根据待制位移传感器，建立磁通路径cdef，其中，c、d、e、f分别为位移传感器量程内任意不同的点，次级线圈中线其中通过公式

得出磁通路径cdef内初级线圈的匝数N₁，其中，μ₀表示空气中的磁导率，B_y1为在cd段总的磁通密度，B_y3为在ef段总的磁通密度，I为初级线圈中的电流，l_y为cd段到ef段的位置变化量；

由于N₁＝W₁l/2n，则有公式并计算得出初级线圈总匝数W₁，其中，B_m为铁芯端点磁通密度，2n为绕制后初级线圈的长度，2l为铁芯长度，r₁为铁芯外半径，R为导磁外壳内半径。