差动变压器式位移传感器检测系统研究_沈申生

1、 2006年 第 25卷 第 3期 传感器与微系 统 (T ransducer and M ic rosyste m Technologies 差动变压器式位移传感器检测系统研究沈申生(南通大 学 电气工程学院 , 江苏 南通 226007摘 要 :介绍了差动 变压器位移传感器的结构和原理 , 分析了零点 残余电压产 生的原因 以及对 差动变压 器位移传感器灵敏度 、 线性度 、 精度的影响 , 并给出了有效的解决方法 。 应用 L abV IE W 对差动 变压器副边线圈的差动 输出信号进行检相 、 滤波等处理 。 结果表明 :与其 他检测方法 相比 , 该差动变 压器位 移传感器 具有更高

2、的 灵敏度和更良好的线性度 。 关键词 :差动变压器 ; 零点残余电压 ; 位移传感器中图分类号 :TP212 文献标识码 :A 文章编号 :1000-9787(2006 03-0041-03St udy on m eas uri ng syste m for d ifferenti al transfor m er -typed is place m ent se nsorSHEN Shen -sheng(Schoo l of E lectr i c E ngi n eer i ng , N an tong U n i versity , Nan tong 226007, Ch i na A

3、b stract :T he struc t ure and t he wo rking princi p l e o f t he diff e renti a l transfo r m e r -t ype displace m ent sensor are presented . The reasons of produc i ng ze ro -point re m a i nde r vo ltage and influence o f ze ro -po int re m ainder voltage on sensitivit y , linea rity and precis

4、ion o f diff e renti a l transfor m er -t ype dis p lacement sensor are analyzed , and efficaciousso l uti on m e t hods are given . By usi ng L ab V IE W , t he s ubsidiary outpu t differen tial si gna l is proce ssed w it h pha se de t ec t o r and filter . Resu lt i nd ica tes t ha t it has highe

5、 r sensitivit y and bett e r li nearit y t han o the r means . K ey word s :differen tia l transfor m er ; zero -po i nt rema i nde r vo ltage ; dis p l acement senso r0 引 言 差动变压器式位移传感器 是一种互感式传感器 。 具有 分辨力高 、 稳定 性好 、 精 度高 、 温 度影 响 小等 优良 特 性 1, 但与其他类型的位 移传感 器相比 , 它的 各项指 标不是最 佳 的 。 原因在于差动变压器输出信号中的 零点残余

6、电压影响 传感器的精度 、 线性度和分辨力 。 因此 , 零点残余电压的大 小是评价差动变压 器式位 移传感器 优劣的 一项重 要指标 。 为了极大限度地消 除零点 残余电压 , 提 升其各 项静态和 动 态指标 , 除改良它的硬件结构外 , 对检测 系统进行深入细致 的研究很 有 必要 。 经 过 多次 论 证 和 测试 证 实 :采 用 Lab -V I E W 开发 平台软件和 硬件 相结 合的 方式 , 对 差动 变压 器 式位移传感器输出 信号进 行检测 , 效果 非常好 。 与传统 检 测手段相比 , 零残电压明 显降低 ; 分 辨力 、 稳定性 和精度 均 大大提高 。1 零点残

7、余电压产生的机理差动变压器是一 种线圈互感随衔铁位移而变化的转换 器 。 差动变压器的等效电路如 图 1所示 。收稿日期 :2005-10-21图 1 差动变压器等效电路F i g 1 Equi va l ent circuit o f differenti a l transfor m er 其磁路是 开放 的 , 次级 的 2个线 圈连 接 成差 动结 构 。 根据图 1可以推算差动变压器输出电压的有效值为U o (M 1-M 2 11i,(1式中 M 1, M 2分别为初级 线圈 L 1与次 级线圈 L 21, L 22的 互 感 , H ; R 1为初级线 圈 的电 阻 , ; U i

8、 为初 级 线圈 的激 励 电 压 , V 。 差动变压 器的互感量与其内 部的磁 场变化相 关联 , 而磁场的变化又取决 于衔铁 在开磁 路中的 位置 。 因 此 , 在 一定范围内 , 只要 衔铁位移 , 差动变压器的输出电压就产 生 相应的变化 , 近似 线 性关 系 , 输出 电 压 U o 是衔 铁 位 移 量 x 的单 值函 数 。 衔 铁在 差 动变 压器 的 几何 中心 位 置时 , 如41 传 感 器 与 微 系 统 第 25卷 次级的 2个线圈的参数和磁 路尺寸 相等 , 则 M 1=M 2, 参照 式 (1 运算 , 此时 , 差动变压 器的输 出电压为 零 。 但实 际

9、制 作时 , 次级 2个线圈的电气 参数和 几何尺 寸存在 一定的 差 异 , 所以 , 当衔铁处于中间位置 时 , 定有不平衡输出 , 即存在 零点残余电压 。 零点残余电压 包含基波和高次谐波 。 基波 的正交分量使输出 信号产 生相移 , 相移 跟随输 出信号的 大 小而变化 。 高次谐波分量是磁性材料磁 化曲线的非线性引 起的 。 零残电压的存 在造成 极大的 负面效应 , 使 传感器 在 零点附近测量时灵敏度大大降 低 , 分辨力变差 , 测量误差增 大 。为了最大限度地 消除零残 电压 , 首要 条件是 保证次 级 2个线圈的 电气 参数 和 几何 尺 寸的 一致 性 和磁 路的

10、对 称 性 。 在此基础上 , 选择适宜的补偿电路亦是至关重要的 , 可 进一步减小零残电 压 。 本方 案使用 图 2的补 偿电 路 , 电 路 中增加了反馈支路 。图 2 差动变压器零残电压补偿电路F ig 2 Zero -poi nt re ma i nder vo ltage compens a ti on circuitof differenti a l transfor m er 由于次级 2个线圈电气参数和几何 尺寸不可能绝对对 称 , 因此 , 两线圈电势 幅值和 相位均 不相等 , 调整 电容器 以 及交 /直 流电位器可使电势差和相位差减小 , 零残电压的基 波分量得到一定

11、的 遏制 。 同 时 , 反 馈支路 又可减 小差动 变 压器的输入 /输 出电流 , 使磁路 运作于 磁化曲 线的 线性段 , 脱离非线性区域 , 大大减小了零残电压中的谐波分量 。 2 L abV I E W 对传感器位移信号的检测2. 1 LabV I E W 简介Lab V IE W 是一种用图 标 代码 来创 建应 用程 序 的开 发 工具 。 它使用数据流 编程方 法来描 述程序的 执行 , 用图 标 和连线编写程序 。 所以 , Lab V IE W 的编 程即是 图形和 线条 的组合 。 差动变压器式位移传感器的非 电量信号转换成电 信号输出后 , 通过 Lab V I E W

12、 的软件进行检测 。 位移检 测程 序是 L abV IE W 环境下 开发 的虚拟 仪器 软件 。 图 3是差 动 变压器位移传感器的 原理图 。图中 , 差动放大器仅作为传感器输出信号的电平转移 。 计算机是虚拟仪器 载体 , 对测量 数据进 行分析 、 运 算 、 存 储 硬件 系统 筑的 。 硬件系统是信号 调理装 置和数 据采集设 备的 组合 ; 软件系统即是 Lab V IE W 的位移测量虚拟仪器 。图 3 差动变压器位移传感器的原理图F i g 3 P ri nci ple d i agram o f defferenti a l transfor m er -typedis

13、p l ace m ent s ensor2. 2 Lab V I E W 的信号调理装置调理器对被测信号 实行隔离 , 以 防被测 信号隐 含大 电 压时对后续电路和计 算机的 冲击 ; 传感器 的隔离 亦可使 数 据采集设备的测量免 受因地 势差造就 的环流 的影响 , 从 而 确保测量的精确性 。 信 号调理 器还具 备低通滤 波器 , 可 有 效滤除噪声和其他种种干扰 , 消除信号中的高频分量 , 提 高 信号数模转换的精度 。 低通滤波器的截止频率可以在软 件 中设置 , 并可根据 滤波效果不断调整截止频率 , 拟求最佳 滤 波效果 。2. 3 数据采集设备Lab V I E W 的

14、程序 流程 中包 含描 述测 量 系统 静态 特 性 的线性度和灵敏度等内容 。 线性度的精确与否关键在于 确 定拟合直线 , 确定 拟合直线有多种方法 , 精确度最高的当 属最小二乘法 。 但最小二乘法人工计算太繁杂 , 耗时长 , 又 容 易出错 。 Lab V I E W 的 L i nearF itV I 使用最小二乘法 2, 它便 捷地解决了人工计算 的繁琐 问题 , 线性度 和灵敏 度的数 值 即刻显 示在 L ab V IE W 的 前面板 上 , 且 随着衔 铁的移 动 , 位 移值 、 灵敏度 、 线性度和精度均可以动 态显示 。 前面板也 可 以展现波形和曲线图 。2. 4

15、 虚拟相敏检波器差动变压器的输出波是调幅波 。 为了识别衔铁的运 动 方向 , 更为了减小 零残电压的影响 , 需要采用相敏检波器 对 差动变压器的输出信号进行解调 。 解调的过程是对被检 信 号和参考信号作乘法运算 , 从而得到它们的和频与差频 , 然 后 , 再通 过低通滤波器消除 和频分 量 , 同时 , 亦滤除 零残 电 压中的高次谐 波及 基波 正交 分量 , 使 零残 电 压趋 于微 弱 。 本例是基于 Lab V IE W 开发平台构建虚拟相敏检波 器 , 利 用 软件对差动 变压 器的 调幅 波实 施解 调 3。 低通 滤波 器 选 用 Lab V IE W 的 Butter

16、w orth . V I 。 差动变 压器 的激励 电压 是 由信号调理装置提供的正弦波 。 测量信号与参考信号同 频 同相时 , 最终输出为全波整 流信号 , 且 是正极值 ; 如 测量 信 号与参考信号同频反 相时 , 则输 出信号为 直流负 极值 。 由 此证明 :相敏检波 器具 有鉴 相功 能 , 它能 识 别衔 铁运 动 方 42第 3期 沈申生 :差动变压器式位移传感器检测系统研究 力 , 改善了非线性 , 提高了测量 精度 。3 信号调理装置中激励频率和幅值的设置差动变压器的激 励频率与传感器灵敏度和线性度等指标均有密切的关联 。 激励频率增加有利 于提高线圈的品质因数 , 增强

17、传感器灵敏度 。 但如果频率过高时 , 导线有效电阻将增加 , 涡流损耗和磁滞损耗加剧 ; 线 圈间的耦合电容影响显著 , 零残电压增大 。 所以 , 频率过高时 , 灵敏度 、 分 辨力反而下降 。 如频率过低 , 传感器的灵敏度显著下降 , 温度和频率误差增大 , 差动变压器的输出信号呈现严重的非线性 。激励频率的高低应 与铁心 材料相匹 配 , 才能最 大限度地 消除零残电压 , 大大提高传 感器的 灵敏度 、 线性 度和 分辨力 。Lab V IE W 信号调理器 中的 激 励频 率是 可以 选择 的 。 可 以根据不同的差动变压器选择与 之匹配的频率 。 激励的幅值与传感器的灵敏度

18、和线性 度等指标 同样具 有密切 的关联 。增大激励电流和电 压亦可 提高灵敏 度 , 但激励 过大同样 有损于传感器的各项 指标 。 绕 组的发 热将造成 信号 的漂移 ;磁饱和使零残电压 增大 。 激 励幅值 太低 , 传感器 也会产 生负面影响 :灵敏度和精度降低 ; 在零点附 近的测量灵敏度大为下降 。 因此 , 选择适宜 的激励 频率和 幅值尤 为重 要 。 虽然 L ab V IE W 的信号调理器亦可以设置激励幅 值 , 但由 于激励频率和幅值可选 范围很 宽 , 选 择最佳 频率和 最佳幅值 困难重重 。 采用 L abV IE W 的 软件 编程可 以圆 满解 决这个 难题

19、。 方法是以差动变压器等效 电路为模型 , 零残电压 、 灵敏度 、 线性度和精度等理想参数作为约束条件 , 优化出激励频率或激励幅值的最佳数据 。 灵敏度是衡 量传感器性能优劣的一个重要指标 , 差动变 压器的 激励频 率与传 感器灵敏 度的函数关系 是一 条平缓 的抛 物线 。 本 例采用 Lab V I E W 中A rray M ax &M in . V I 筛 选出 差 动 变压 器 输出 灵 敏度 峰 值(11. 52V /m m 时的激励频率为 6. 12k H z 。 如把 零残电压 、线性度和精度等理 想参数 作为首要 约束条 件 , 而把灵敏 度理想参数的约束 条件置 于其

20、次 , 则 A rray M ax &M in . V I 筛选出差动变压器的最佳激励频 率为 7kH z , 最佳激励幅 值为5. 5V 。 表 1为传感器最佳激励 幅值 5. 5V 时 , 不同激 励频率工况下位移传感器 的各项指标 。表 1 不同激励频率位移传感器的各项指标Tab 1 I ndexes o f d is pl ace m ent sensor a t differentex cit a ti on frequency激励频率 (kH z 零残电压(mV 灵敏度(V /mm 线性度(%F . S 精 度 (%F . S 6. 121. 0211. 520. 180. 357

21、. 000. 8810. 860. 060. 18 7. 504. 249. 320. 130. 25 移传感器的灵敏度低于峰值 11. 52V /m m , 但零残电压降 为 最低 , 线 性度和精度大大提 高了 , 且差 动变压器 的输 入 、 输 出相位基本保持一致 。激励电流和电压的 选择应遵 从三项 原则 :一是 绕组 允 许通过的电流密度 ; 二是线圈的允许散热条件 ; 三是激励 电 流必须使差动变压器 运作于 磁化曲线 的线性 段 , 以减小 零 残电压的影响 。表 2是在最佳激 励频 率 7k H z 的工 况下 , 不同 激励 电 压时 , 差 动变压器式位移 传感器 各项指标 的测量 数据 。 可 以看到 :差动 变压器 的激励 电压选 择 5. 5V 确 系最佳 。 除 灵敏度外 , 位移传感器的 各项指 标都很理 想 。 如激 励电 压 高于 5. 5V , 则磁饱和使 零残电压增大 , 虽然灵敏度高一些 , 但线性 度和精度 降低 。 激 励低于 5. 5V 时 , 各项指 标相 对 差一些 。 在实际运用中 , 应折中考虑灵敏度的选择 。 表 2 不同激励电压位移传感器的各项指标Tab 2 I ndexes o