直線位移傳感器設計與分析

張曉宇　葉子彬

【摘 要】在現代制造業中，直線位移的測量非常重要。目前的直線位移量傳感器有各自的優缺點，文章設計與分析一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，其結構主要由初級和次級構成，具有無刷化、線性范圍大、適應環境能力強、結構簡單、成本低等優點，適用于環境惡劣、可靠性要求高的位移測量系統中。

【關鍵詞】直線；位移；傳感器

【中圖分類號】TP212.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0089-02

0 引言

隨著科學技術的不斷進步發展，人們對各種物理參數的測量要求越來越高。在現代制造業中，直線位移測量也是非常重要的。目前應用比較多的直線位移量傳感器有感應同步器式、電容式、電感式、光電式、光柵式、磁柵式、霍爾效應式等。這些位移傳感器各有優缺點，精度高的制造設備復雜、制造工藝復雜、結構復雜、安裝調試要求高、成本高，同時對使用環境要求嚴格，如光柵式直線位移傳感器（如圖1所示）；精度相對低的、線性范圍小的，結構相對簡單、可靠性要求也高，但頻率響應不高，快速動態測量很難適用，如電感式直線位移傳感器（如圖2所示）。

本文設計分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，其結構主要由初級和次級構成直線位移傳感器（如圖3所示），初級包括初級鐵心及激磁、輸出繞組，次級僅為帶齒的鐵心，具有無刷化、精度高、可靠性高、線性范圍大、適應環境能力強、頻率響應高、體積小、結構簡單、價格低等優點，適合作為直線位移檢測元件用于無刷直線直流電機等直線伺服驅動電機系統中，也可用于環境惡劣、可靠性要求高的位移測量系統中。

1 設計原理

本文設計分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，根據法拉第電磁感應原理可知，當激磁繞組（R1R2）施加交流勵磁電壓ER1R2=Esinωt時，兩個輸出繞組（S1S3、S2S4）中分別產生感應電壓，其幅值主要決定于初級、次級齒間氣隙磁導的大小，即隨氣隙磁導的變化而變化。次級移動一個齒距，氣隙磁導變化一個周期，則輸出電壓幅值就變化一個周期，次級移動一個周期，輸出電壓幅值變化的周期數等于初級齒數，其電氣原理圖如圖4所示。

2 設計分析

2.1 樣機設計參數

磁阻式直線位移傳感器主要技術參數有勵磁電壓、勵磁頻率、最大輸出電壓及極對數等，設計參數有初次級槽數、初次級長度尺寸、氣隙等。樣機具體參數見表1。

2.2 結構設計

磁阻式直線位移傳感器主要由初級和次級構成，初級包括初級鐵心及勵磁繞組、正余弦輸出繞組，次級僅為帶齒的鐵心，結構比較簡單。為了保證磁阻式直線位移傳感器運行時的性能指標，必須保證初級、次級之間的氣隙均勻，優化初級、次級結構及安裝型式，并合理選擇直線導軌，選取氣隙尺寸為0.3 mm。初級、次級鐵芯僅由沖片組成，并用激光焊接或鉚釘緊固，加工工藝簡單，零部件安裝可靠，初級上面還有勵磁繞組、正余弦輸出繞組，材料選取漆包線，繞線骨架選用尼龍材料注塑成型，套裝在初級齒上。直線位移傳感器整體結構簡單，零部件安裝可靠，選材主要為硅鋼片、漆包線及尼龍材料，因此對環境適應能力非常強。

2.3 繞組設計

激磁繞組采用等匝集中繞組，每個初級齒上的匝數：

N1=N/Z1

式中：N為激磁繞組總匝數；Z1為初級齒數。

兩個輸出繞組分別采用正弦分布繞組和余弦分布繞組。

正弦分布繞組匝數：

Nsin=N0sin（i-1）αe

余弦分布繞組匝數：

Ncos=N0cos（i-1）αe

式中：N0為每個大齒上一相輸出繞組可能的最大匝數。

3 信號處理應用

由于磁阻式直線位移傳感器是一種模擬型機電元件，在實際中無法滿足伺服系統的數字化應用，因此要通過設計合適的接口電路，將模擬信號與控制系統數字信號之間的相互轉化得以實現。

美國AD公司的AD2S90作為模擬/數字轉換器，與控制器之間采用同步串行通信方式進行數據傳輸，具有如下的優點：？譹？訛軸角信息提供兩種輸出方式，一是絕對串行二進制輸出（12位），最高傳輸速率為2 Mbps；二是模擬增量式編碼器輸出，A、B和NM信號，相當于1個1024線增量式編碼器。？譺？訛分辨率固定為12位，外圍電路簡單。？譻？訛串行芯片價格便宜，僅為并行芯片的1/5～1/100。基于以上優點，AD2S90的分辨率固定，因此幾乎不必設置任何外圍電路，而只需提供正常的工作電源，轉換器就能正常運行（如圖5所示）。

4 結語

本文設計分析的直線位移傳感器結構簡單，所用材料主要為硅鋼片、漆包線及工程塑料，除了具有線性范圍大、頻率響應高、成本低等優點外，對環境適應能力也非常強，可用于環境溫度較高或較低的場合，也可用于高振動、沖擊的環境。

參 考 文 獻

[1]薛山，溫旭輝，徐志捷.基于AD2S90的數字旋轉變壓器[J].電工技術雜志，2003（9）：102-104.

[2]李永清，李振波，申安安，等.高可靠直線位移傳感器[J].儀表技術與傳感器，2007（12）：12-13.

[3]曲家騏，王季秩.伺服控制系統中的傳感器[M].北京：機械工業出版社，1998.

[4]張曉宇.用于伺服驅動系統的無刷旋轉變壓器仿真設計[J].湖南工程學院學報：自然科學版，2013，23（1）：21-23.

[責任編輯：鐘聲賢]