引 言
用于位移測(cè)量的傳感器的種類很多,采用電子原理的有電阻式、電容式、電位器式、電感式等,采用光學(xué)原理的有光柵式、 光電式、光纖式等。上述原理的位移傳感器，有些只能滿足低 精度要求的測(cè)量條件，有些只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室條件，然而在有 些較為特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，不但要求位移傳感器具有較高的測(cè)量 精度，同時(shí)又要求傳感器能夠勝任惡劣的工作環(huán)境，這款差動(dòng)變壓器式直線位移傳感器,正是基于這一技術(shù)要求而研制的。
1 設(shè)計(jì)原理
該直線位移傳感器是根據(jù)差動(dòng)變壓器原理制成的,根據(jù)電磁感應(yīng)原理，能夠?qū)C(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。圖1為差動(dòng)變 壓器的結(jié)構(gòu)原理圖。它由1個(gè)初級(jí)線圈、2個(gè)次級(jí)線圈及鐵心構(gòu)成。線圈中的鐵心用來在線圈中連接磁力線構(gòu)成磁路。
當(dāng)在初級(jí)線圈上施加激勵(lì)交流電壓
時(shí)，根據(jù)電磁原理， 在次級(jí)線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，把2個(gè)次級(jí)線圈反極性串接，由于2個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓
和
相位相反，將二者疊加后，在輸出端就產(chǎn)生了電位差,如圖2所示。當(dāng)鐵心處于中心對(duì)稱位置時(shí)，疊加后的輸出電位
,而當(dāng)鐵心隨被測(cè)物移動(dòng)產(chǎn)生位移時(shí)，
。差動(dòng)變壓器位移與輸出特性關(guān)系如圖3所示，在一定的范圍內(nèi)，
的大小與鐵心距離中心對(duì)稱位置的位移量成正比，可以將這段區(qū)間作為傳感器的有效線性工作區(qū)間。據(jù)此，通過
檢測(cè)輸出值的大小，便可折算出相對(duì)應(yīng)的位移變化量，這就是差動(dòng)變壓器 將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號(hào)的工作原理。
2 位移傳感器電路設(shè)計(jì)
2.1 交流激勵(lì)電路
根據(jù)差動(dòng)變壓器原理,首先應(yīng)為差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈提 供交流激勵(lì)信號(hào)，由于位移傳感器的供電電源僅為5 V,選取了 由三極管、電阻、電容等器件構(gòu)成的方波信號(hào)激勵(lì)電路,并通過 對(duì)元器件一致性的篩選以及阻容參數(shù)的合理搭配，確保了激勵(lì) 信號(hào)的波形質(zhì)量，從而為提高傳感器整機(jī)的綜合性能奠定了基 礎(chǔ)。方波信號(hào)激勵(lì)電路如圖4所示。
2.2 整流、濾波電路
整流、濾波電路將次級(jí)線圈的輸出信號(hào)，經(jīng)過整流、濾波, 將其轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。通過對(duì)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)元器件一致 性的篩選以及阻容參數(shù)的合理選配，使得該電路既能保證獨(dú)立線性指標(biāo)的要求，又能滿足對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)的要求，同時(shí) 還要盡可能降低直流信號(hào)輸出的交流噪聲。整流、濾波電路見圖4。
2.3 放大、遷移、濾波電路
該部分電路的作用是對(duì)整流后的直流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)遷移、放大、濾波處理，使其輸出滿足技術(shù)指標(biāo)要求。由于位移傳感器的供電電源僅為5 V，電壓過低,致使傳感器次級(jí)線圈的輸出 信號(hào)以及經(jīng)過整流、濾波后的直流信號(hào)幅度也很低，為保證傳 感器的信號(hào)輸出符合技術(shù)指標(biāo)要求的0.5 ~ 4.5 V,需在信號(hào)的 遷移、放大、濾波環(huán)節(jié)加以放大處理。遷移、放大、濾波如圖5 所示，確保了傳感器處于最佳線性工作區(qū)間，信號(hào)輸出形式符 合技術(shù)指標(biāo)要求，輸出信號(hào)的交流噪聲也控制在最低程度，以保證傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，提高抗干擾能力。
3 位移傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)
位移傳感器整機(jī)外形尺寸很小，僅為同類產(chǎn)品通常尺寸的 1/3左右，還要承受鹽霧、水下浸漬等環(huán)境試驗(yàn)的要求。因此， 應(yīng)將傳感器設(shè)計(jì)得體積盡量小，安裝緊湊。在傳感器的測(cè)試?yán)?桿尺寸固定的前提下，對(duì)差動(dòng)變壓器的線圈及骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)。在裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，采取了以焊接結(jié)構(gòu)為主，拉桿和活 動(dòng)部件留有可動(dòng)設(shè)計(jì)間隙的原則，使傳感器的裝配更容易，可 靠性更高。此外，針對(duì)高可靠、抗沖擊的技術(shù)要求，增加減振設(shè) 計(jì),除運(yùn)動(dòng)部分的拉桿外，在線圈的固定、信號(hào)處理電路板的固 定上均采取了抗振動(dòng)、耐沖擊的措施，加強(qiáng)對(duì)沖擊和振動(dòng)的防 護(hù)。為滿足鹽霧、水下浸潰等環(huán)境試驗(yàn)的要求，首先在傳感器 的殼體材料上選取耐腐蝕、抗鹽霧的不鎊鋼材料，同時(shí)在傳感 器的引出線出口加密封膠,殼體的螺紋連接部分均采用螺紋膠 等妥善的密封防護(hù)措施，以及在傳感器的線圈、電路等部分采 用防護(hù)漆、耐溫防水硅膠等加以封灌防護(hù)。
4 性能特點(diǎn)
4.1 傳感器的抗振動(dòng)特性
傳感器采用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證抗振動(dòng)性能。從設(shè)計(jì)角度 講，一般工業(yè)用差動(dòng)變壓器式位移傳感器包含線圈和骨架部 分、信號(hào)發(fā)生和處理部分。2部分分開放置到傳感器的外殼內(nèi)， 電路板和骨架部分不用特殊固定。傳感器骨架的材料可以是 電木、陶瓷等非金屬材料,也可以是不鎊鋼材料。在設(shè)計(jì)過程 中，為滿足抗振動(dòng)、沖擊的要求，傳感器骨架及連接件全部采用 焊接結(jié)構(gòu)。帶來的問題是材料的性能發(fā)生變化,直接影響傳感 器的精度。因此，需要對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)修正，達(dá)到最佳設(shè)計(jì) 參數(shù)。電路板固定在金屬骨架上，保證線路本身的抗振動(dòng)性 能。骨架與線圈之間螺釘連接，連接螺釘加螺紋膠。線路板上 的元件全部采用貼片件，電路板上沒有可調(diào)電位器。信號(hào)引出 線用高強(qiáng)度膠固定,整個(gè)電路板加膠保護(hù)。連接螺紋也全部采用螺紋膠固定防松動(dòng)，信號(hào)線除保護(hù)管外，還在引出口加軟膠， 防止振動(dòng)過程中將信號(hào)線切斷。
4.2 傳感器的寬溫區(qū)特性
傳感器的工作溫度能夠滿足-50 ~ 125°的使用要求，繞制線圈所采用的漆包線具備耐高、低溫性能，電路板上的運(yùn)算放大器、貼片電阻和電容等元件均選擇低漂移，耐高、低溫的器 件。引出線和連接導(dǎo)線全部采用高溫導(dǎo)線，保護(hù)管選取耐溫200°的材料。這樣總體設(shè)計(jì)滿足要求,經(jīng)過溫場(chǎng)試驗(yàn)證明傳感器的寬溫區(qū)設(shè)計(jì)是合理的。
4.3 傳感器的低溫漂特性
溫度漂移指標(biāo)是關(guān)系到位移傳感器綜合性能的重要指標(biāo)， 如何在全溫區(qū)范圍內(nèi)，把傳感器隨溫度變化的漂移量控制在最 低限度內(nèi)，保證溫漂系數(shù)符合技術(shù)要求，成為攻關(guān)重點(diǎn)。盡管 所選取的電阻、電容等器件均為低漂移產(chǎn)品，但在全溫區(qū)范圍 內(nèi)，位移傳感器的溫漂指標(biāo)仍然不夠理想，因此，需對(duì)傳感器進(jìn) 行全溫區(qū)溫度漂移補(bǔ)償。在溫度補(bǔ)償之前，雖然每只傳感器在 全溫區(qū)范圍內(nèi)的漂移程度不等，但基本趨勢(shì)是一致的，即隨著 溫度升高,傳感器的輸出值變大，隨著溫度下降，傳感器的輸出 值變小。利用這一特性，可以將溫度敏感器件加入傳感器的放 大回路中，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹２捎脽崦綦娮柽M(jìn)行高溫和 低溫的溫度補(bǔ)償，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)修正溫度曲線，對(duì)傳感器進(jìn)行 整體修正補(bǔ)償。每臺(tái)傳感器溫度漂移曲線不同，補(bǔ)償參數(shù)需要 根據(jù)測(cè)試情況，設(shè)計(jì)不同補(bǔ)償值。經(jīng)過驗(yàn)證，反復(fù)修正測(cè)試曲線，最終能達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。目前，所有的位移傳感器經(jīng) 溫度補(bǔ)償后，溫漂指標(biāo)均可控制在0.03%F.S./℃以內(nèi)，最佳補(bǔ) 償效果可達(dá)到0.01%F.S./℃左右。
4.4 傳感器密封防護(hù)特性
為滿足鹽霧、穩(wěn)態(tài)濕熱、水下浸漬等環(huán)境試驗(yàn)的要求，首先在傳感器的殼體材料上選取耐腐蝕、抗鹽霧的不鎊鋼材料，同 時(shí)在傳感器的引出線出口、殼體的螺紋部分均采取了妥善的密 封防護(hù)措施，以及在傳感器的線圈、電路部分采用防護(hù)漆、耐溫 防水硅膠等加以封灌防護(hù)。通過采取上述措施,位移傳感器順利通過了鹽霧、穩(wěn)態(tài)濕熱、水下浸潰等環(huán)境試驗(yàn),取得了十分理想的試驗(yàn)效果。
5 結(jié)束語(yǔ)
該位移傳感器具有體積小,質(zhì)量輕，耐高低溫工作、溫度沖 擊，抗振動(dòng)，抗沖擊等突出特性，同時(shí)具備抗鹽霧、穩(wěn)態(tài)濕熱、水 下浸漬等環(huán)境試驗(yàn)條件的特性，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、礦山 工程、科學(xué)研究、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。（作者：李永清、李振波、申安安、劉奸、張衛(wèi)、趙志嶺）
