一種用于轉子位移測量的差動變壓器式傳感器

楊弘德

（山東省萊蕪第一中學，山東萊蕪，271199）

0 引言

本文以差動變壓器式位移傳感器為研究對象，以轉子位移測量為應用基礎，設計了一種具有容錯能力的轉子位移傳感器，并就其容錯機理進行了結構和原理性分析，為轉子的高可靠性位移測量提供技術參考。

1 傳統的差動式轉子位移傳感器

1.1 傳統的差動式轉子位移傳感器結構分析

圖1 差動式位移傳感器示意圖

轉子位移傳感器主要用于旋轉機械的轉子偏移測量，如經常作為關鍵設備應用于高速電機、磁懸浮軸承的控制系統組成部分，在特定控制算法的作用下實現轉子的穩定可靠懸浮，相應的轉子位移傳感器結構示意如圖1所示。

在圖1中，左右兩側各有兩組線圈纏繞在鐵芯上，其中Na1與Na2分別表示差動式位移傳感器鐵芯上的初級線圈；Nb1與Nb2表示差動式位移傳感器鐵芯上的次級線圈；Uin表示傳感器上初級線圈串聯后所接的外部勵磁電源的電壓值；Uout表示次級線圈按特定的電勢反相串接得到的輸出電壓值；δ1與δ2為上下鐵芯與被測物體間的氣隙；而兩變壓器之間的距離固定為L，所以δ2也可以表示為L-δ1，li（i為a、b、c、d）分別表示各段導磁體（變壓器鐵芯和被測物體）的長度；S為鐵芯與被測物體間氣隙截面積；Si（i為a、b、c、d）為各段變壓器鐵芯和被測物體之間導磁體的截面積。經相關運算推導可得差動變壓器式位移傳感器的輸入輸出關系表示式如(1)所示。

進一步推導可得到物體上下位移的表達式如(2)所示。

1.2 傳統的差動式變壓器式轉子位移傳感器工作原理

綜上所述，差動變壓器式位移傳感器是基于差動變壓器原理設計而成的。在實際應用過程中，當被測對象（如轉子）位移發生變化時，傳感器上的次級線圈之間的互感就會變化，導致實際所測對應的輸出電壓也隨之發生變化，接著通過事先設計好的外部處理電路將感應得到的電壓變化信號轉換為與被測物體位移大小和方向，進而實現位移的實時檢測目的。

因此為了實現對轉子位移的測量，在任意兩個不同方向上安裝該位移傳感器裝置，就可以檢測出中心轉子的位置，其結構通常設計成如圖2所示。

圖2 兩個互相垂直方向布置的轉子位移傳感器結構示意圖

在圖2中，以水平方向建立x軸，以豎直方向建立y軸，當傳感器全部正常時，若測得水平方向位移傳感器的輸出電壓為u1out，豎直方向位移傳感器的輸出電壓為u2out，因為輸出電壓u1out與u2out與轉子位移量存在線性關系，所以u1out與u2out所對應的是轉子在x與y方向的位移分別為xoffset與yoffset，則表示轉子偏離正常工作坐標（0,0）位置，轉子在位置水平方向偏移xoffset，豎直方向偏移yoffset（xoffset與yoffset是代數量，有正負號）。因此，該傳感器可以實現對轉子位移的實時檢測。

1.3 傳統的差動式轉子位移傳感器優勢分析

從以上的敘述可以知道，差動式轉子位移傳感器具有一系列優勢，主要體現在以下幾點：（1）無機械接觸。轉子與鐵心磁極之間是無接觸的，只需要電磁關系進行信號傳遞，避免傳感器摩擦損壞，可延長使用壽命。（2）響應速度快。正是基于這種非接觸的位移測量方法，具有較寬的頻率響應能力，對于快速運轉的轉子振動測量十分有效。（3）高線性度。高度的線性化是差動變壓器式位移傳感器的主要特征，有助于電壓位移的關系換算，提高了傳感器精度。

1.4 傳統的差動式轉子位移傳感器存在問題

雖然差動變壓器式位移傳感器存在2.3所描述的系列的優點，但目前的差動變壓式位移傳感器由于無容錯，如果制造時出現問題或由于其他原因如過載，二次短路或分接開關壓接不良，對變壓器造成影響甚至燒壞了變壓器，一旦有任何一組變壓器出現問題，機器便不能正常使用。若該儀器在某些場合需長期使用，或使用在與日常生活息息相關的方面，一旦出現問題，便會造成不必要的影響，若保證其能夠長時間正常運行，則又浪費人力時刻對其進行檢查。

儀器損壞后，不能正常使用，若進行維修，一般有兩種方法，一種為僅更換損壞的變壓器，另一種是將裝置全部更換，由于第一種方法較為復雜，維修時大多采用第二種方法，這樣做會浪費沒有損壞的變壓器。如果不進行維修，則需更換新的傳感器。不論何種方法，都會對資源造成浪費，增加生產成本。同時，也會耽誤時間，延長工期。

2 具有容錯能力的轉子位移傳感器設計

2.1 具有容錯能力的轉子位移傳感器結構分析

本文改進后的具有容錯能力的轉子位移傳感器由三組差動傳感器結構組成，六個線圈之間的夾角為60度，如圖3所示。

圖3 具有容錯能力的轉子位移傳感器結構示意圖

由上述原理可知，電壓U與位移X呈線性關系，若3組差動式位移傳感器的輸出電壓分別為u1，u2，u3，設其對應的位移分別為x1，x2，x3。同樣以水平方向建立x軸，以豎直方向建立y軸。若三組差動式變壓器全部正常，則僅需兩組數據即可測出此時轉子偏離中心的位移，此處以用第1第2組數據為例進行位移計算，在x與y方向的偏移如(3)(4)所描述。

若為其他傳感器磁極損壞，可以采用上述的方法進行換算得到對應的位移偏移量。

2.2 具有容錯能力的轉子位移傳感器特性分析

從圖3的結構示意圖可知，由于改進后的轉子位移傳感器有三組傳感器，當有一組傳感器發生故障時，假設為3號，則測量結果同上述未壞時結果相同，若1號或2號傳感器損壞，假設為1號損壞，則2號與3號傳感器產生的電壓分別為u2ˊ與u3ˊ。設u2ˊ與u3ˊ所對應的位移分別為x2ˊ與x3ˊ，則轉子偏離正常工作時轉子位置可以計算如下(5)(6)所示。

可見，三對傳感器中任意損壞一對均可繼續保持正常工作，這可以大大提高傳感器的容錯能力，實現轉子的高可靠性功能。

3 結論

本文提出的改進后的差動變壓器式位移傳感器具有了容錯能力，延長了使用壽命，一定程度上能避免無容錯的轉子位移傳感器相對易損壞帶來的問題，從而降低了維修成本，節約資源，保證生產正常運行。并且由于有三對傳感器，僅需兩組即可測出其位移，有多組數據可使用，更提高了其數據的可靠性，可應用于航空航天、核電、軍事等領域。VLSI設計[J].微型機與應用, 2012 ,31 (22) ：23-25.