基于Maxwell環境的LVDT傳感器仿真設計

摘要：LVDT（Liner Variable Differential Transformer）傳感器是一種差動變壓器式傳感器，用于將機械位移信號轉換成電信號，具有工作環境適應性強、可靠性高、輸出精度高、線性度好等顯著特點。現以Maxwell為基礎，分析LVDT傳感器電磁性能仿真過程，以提高LVDT傳感器產品設計效率。

關鍵詞：LVDT;電磁性能;仿真設計

0? ? 引言

隨著5G時代到來，航空航天領域信息化、自動化水平進一步提高，LVDT傳感器也憑借其靈敏度高、線性度好、分辨率高、使用壽命長等優點而得到廣泛使用。LVDT傳感器主要由線圈架、鐵芯、初級線圈、次級線圈以及閉磁筒等零部件組成。受磁性材料、線圈繞制等因素影響，“計算—試制—測試—重新計算—再試制—再測試”的傳統設計方式已無法滿足產品迭代更新和高質量要求。隨著計算機技術的發展，CAD/CAE技術在產品設計中得到了推廣使用，利用Ansys系統中Maxwell模塊進行傳感器線圈電磁性能仿真計算，可提高工作效率及產品質量。

1? ? LVDT工作原理

LVDT傳感器采用差動變壓器原理設計，根據電磁感應原理，將機械位移信號轉換成電信號。如圖1所示，差動變壓器結構由1個初級線圈、2個次級線圈及鐵芯組成。根據電磁感應原理，當在初級線圈施加激勵交流電壓Ui時，次級線圈上產生感應電壓，將2個次級線圈反極性串接，由于2個次級線圈輸出電壓U1、U2相位相反，將二者疊加后，在兩個次級線圈產生電位差U0。當鐵芯處于中心位置時，U1=U2，疊加后的輸出電位U0=0;而當鐵芯隨被測物移動產生位移時，U0產生變化。在一定的范圍內，U0的大小與鐵芯距離中心對稱位置的位移量成正比，該區間為傳感器的有效行程工作區間。據此，通過檢測U0輸出值的大小，便可得知鐵芯位移變化量。

2? ? 傳感器輸出特性計算

LVDT傳感器電氣原理圖如圖1所示，為了便于分析計算，將線位移傳感器看作是一個理想變壓器，忽略鐵損、耦合電容和渦流損耗對傳感器性能的影響。當次級線圈開路時，初級線圈的電流為：

U0的值反映傳感器鐵芯的位移量x，但其大小受輸入量i的影響，當i受到干擾或由于其他原因產生變化及波動時，U0值的變化就不再準確反映鐵芯位移量的變化，故實際應用中常使用d=來反映傳感器鐵芯的位移量。

3? ? 電磁性能仿真計算

Ansoft Maxwell作為著名的商用低頻電磁場有限元軟件之一，在各工程電磁領域得到了廣泛的應用;它在保證計算準確性和快捷性的前提下，能夠分析靜態及瞬態磁場，較好地滿足了LVDT的建模、仿真計算要求。

3.1? ? LVDT建模

以電氣行程為±7 mm、LVDT增益值為±0.5、輸出線性度為±0.5%FS技術條件要求的產品為例進行建模分析。由于鐵芯是圓柱體結構，初級線圈、次級線圈均為環形繞組，利用Maxwell 2D建模（圖2），忽略外殼及線圈架等非導磁材對仿真計算結果的影響。對線圈架、鐵芯、閉磁筒等金屬材料賦予相應的材料屬性，確定線圈架等結構尺寸后，對各個區域進行網格劃分，設定初級線圈匝數為2 400匝，次級線圈匝數為1 500匝，鐵芯直徑為3 mm，長度為26 mm，導入外部電路，設置激勵電壓及電阻等參數，確定運動部件參數，定義為線性運動，運動范圍為-7 mm至7 mm，每隔1 mm求解一次進行仿真計算。

3.2? ? 仿真分析

LVDT輸出增益、精度等參數滿足技術指標受次級線圈感應電壓值影響，可通過次級線圈結構、匝數以及鐵芯長度來調整次級線圈感應電壓值。根據次級線圈電壓值計算LVDT增益值（圖3），并對增益值按最小二乘法進行線性擬合（圖4），計算各整數點精度均滿足±0.5%FS（表1），通過線性擬合可得LVDT靈敏度為0.071 4 V/mm，非線性度誤差為0.22%FS，精度為0.25%FS，符合LVDT參數要求。

4? ? 試驗驗證

為了對該仿真結果進行驗證，按仿真確定LVDT鐵芯、線圈架、閉磁筒等零件參數加工機械零件，再按初級線圈、次級線圈參數要求加工制作LVDT，并在水平測長儀上進行測試，初級線圈接通3 V、3 kHz正弦波信號，通過伺服電機移動鐵芯位置，測量次級線圈輸出電壓U1、U2，通過電壓值計算LVDT輸出增益，并與仿真值進行比較（表2），可知仿真結果與實際加工產品試驗結果差異不大，均滿足LVDT技術調點要求。

5? ? 結語

利用Ansoft Maxwell進行仿真計算，打破了“計算—試制—測試—重新計算—再試制—再測試”的傳統設計方式，縮短了產品設計周期，且LVDT產品輸出精度、線性度等得到了有效提高，產品性能穩定性得到了改善。

本文對LVDT利用Maxwell進行仿真工作進行了研究，通過仿真工作可縮短LVDT研制周期、降低生產成本、滿足交付進度要求，并可快速有效地判斷LVDT輸出精度、增益值、線性度是否滿足技術參數要求，為傳感器系列化發展提供數據支撐。

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[2] 趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

收稿日期：2020-03-18

作者簡介：鄧小雄（1983—），男，湖南郴州人，工程師，研究方向：LVDT產品開發與設計。