差動(dòng)變壓器式位移傳感器性能穩(wěn)定性技術(shù)研究

余 菲,孫 楠,朱廷偉,楊超凡,任海燕

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京 100076)

差動(dòng)變壓器式位移傳感器作為航天伺服系統(tǒng)作動(dòng)器控制反饋元件,參與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擺動(dòng)控制。隨著差動(dòng)變壓器式位移傳感器的發(fā)展,其具有工作可靠、準(zhǔn)確度高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3],廣泛應(yīng)用于航天伺服系統(tǒng)。

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展,伺服系統(tǒng)對位移傳感器的需求量也不斷上升,同時(shí)要求位移傳感器不斷地進(jìn)行技術(shù)革新,提高位移傳感器精度、可靠性及壽命,以滿足伺服系統(tǒng)高精度、高可靠性及長壽命等要求。同時(shí),對位移傳感器環(huán)境適應(yīng)性也提出了較高要求,例如,強(qiáng)力學(xué)環(huán)境要求、復(fù)雜電磁環(huán)境要求及寬溫域下高精度工作要求等,這使得位移傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)均有了較大改變,對于飛行過程中強(qiáng)力學(xué)環(huán)境,可通過增加初級線圈、次級線圈繞組線徑的方式,使位移傳感器滿足強(qiáng)力學(xué)環(huán)境要求;對于復(fù)雜電磁環(huán)境,可通過選材、增加位移傳感器電磁屏蔽設(shè)計(jì)及改善電路濾波等方式予以解決;對于寬溫域下的位移傳感器高精度要求,需對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

為使差動(dòng)變壓器式位移傳感器在全溫域下能夠更精確更高效地在伺服系統(tǒng)中工作,本文在分析了影響差動(dòng)變壓器式位移傳感器性能穩(wěn)定性因素的基礎(chǔ)上,介紹了提高性能穩(wěn)定性的技術(shù)方法,以適應(yīng)伺服系統(tǒng)在飛行過程中惡劣環(huán)境下的使用需求。

1 傳感器工作原理

傳感器工作原理如圖1 所示,由初級線圈W 和兩個(gè)參數(shù)相同的次級線圈W1和W2組成。線圈中心插入鐵心P,次級線圈W1及W2反極性串聯(lián)。當(dāng)初級線圈W 上加交流電壓時(shí),次級線圈W1及W2產(chǎn)生感應(yīng)電勢e1與e2。當(dāng)鐵心在中心位置(X=0)時(shí),e1=e2,輸出電壓e0=0;鐵心向上運(yùn)動(dòng)時(shí),e1>e2;鐵心向下運(yùn)動(dòng)時(shí),e1

圖1 差動(dòng)變壓器式位移傳感器工作原理Fig.1 Schematic diagram of LVDT

2 影響性能穩(wěn)定因素分析

差動(dòng)變壓器式位移傳感器具有良好的靈敏度和一致性、較高的精度和可靠性以及較長的使用壽命等特點(diǎn),已廣泛用于航天領(lǐng)域伺服系統(tǒng)中,參與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擺動(dòng)控制。作為線位移量測試的主要元件,差動(dòng)變壓器式位移傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)在航天飛行過程中強(qiáng)力學(xué)環(huán)境、復(fù)雜電磁環(huán)境及寬溫域等惡劣環(huán)境下可靠工作,但其輸出特性仍會(huì)因外界環(huán)境條件的變化而發(fā)生改變,影響伺服系統(tǒng)的控制精度。

根據(jù)差動(dòng)變壓器位移傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)可知,影響其工作性能的因素有傳感器幾何尺寸、初次級線圈繞組布置、鐵芯材料特性、激磁電流和頻率以及環(huán)境溫度變化。初級激磁影響線圈的阻抗和溫度分布,鐵芯磁導(dǎo)率也會(huì)受溫度、激磁電流和頻率變化的影響而發(fā)生變化[4-7]。

為補(bǔ)償這些影響,一般有如下方法:(1)在后續(xù)傳感器信號變送調(diào)理電路中增加熱敏電阻,以改變傳感器直流輸出下的溫度特性;(2)從傳感器自身出發(fā),設(shè)計(jì)一種自補(bǔ)償差動(dòng)變壓器式位移傳感器,在進(jìn)行位移傳感器次級線圈繞制時(shí),繞制雙次級線圈,改變差動(dòng)變壓器式位移傳感器自身的溫度特性,從根本上提高位移傳感器性能穩(wěn)定性;(3)考慮到傳感器一般采用以SE5521 芯片為核心的信號變送調(diào)理電路進(jìn)行信號調(diào)理,輸出直流電壓信號,通過改變調(diào)理芯片,解決傳感器在全溫域下的性能穩(wěn)定性問題。

3 提高性能穩(wěn)定性技術(shù)

3.1 采用熱敏電阻改變傳感器溫度特性

鑒于溫度對位移傳感器性能影響主要體現(xiàn)在傳感器輸出特性會(huì)根據(jù)溫度的改變而發(fā)生變化,故可在位移傳感器后續(xù)的信號變送調(diào)理電路中,使用熱敏電阻補(bǔ)償溫度對傳感器的影響,使傳感器在一定溫度范圍內(nèi)輸出特性得到改善。采用該方法,雖能有效地改變傳感器在一定溫度范圍內(nèi)的輸出特性,但采用熱敏電阻補(bǔ)償方式無法對傳感器進(jìn)行全溫域補(bǔ)償,無法實(shí)現(xiàn)位移傳感器在全溫域下高精度工作的要求。此外,考慮到差動(dòng)變壓器式位移傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),傳感器溫度特性散布較大,采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐ鑼γ恳慌_(tái)傳感器進(jìn)行調(diào)試配對,并選用不同溫度特性的熱敏電阻,故采用該方法進(jìn)行配對難度較大。

3.2 自補(bǔ)償差動(dòng)變壓器式位移傳感器

圖2(a)和(b)表示的是傳統(tǒng)位移傳感器,差動(dòng)信號(e1-e2)取自次級線圈S1和S2。圖3(a)和(b)表示采用自補(bǔ)償技術(shù)的傳感器原理結(jié)構(gòu),它設(shè)有兩組次級線圈S1、SC1和S2、SC2,這兩組次級線圈的環(huán)境溫度特性和所受激勵(lì)條件完全相同,通過不同接線方式,使線圈產(chǎn)生兩路輸出,一路為(e1-e2),另一路為(e1+e2)。

圖2 無補(bǔ)償位移傳感器。(a)簡化圖;(b)截面圖Fig.2 Uncompensated LVDT.(a) Reduced graph;(b)Sectional view

圖3 自補(bǔ)償位移傳感器。(a)簡化圖;(b)截面圖Fig.3 Self-compensated LVDT.(a) Reduced graph;(b)Sectional view

對于位移傳感器:

式中:e1為次級線圈S1和SC1感應(yīng)電壓;e2為次級線圈S2和SC2感應(yīng)電壓;μ為鐵芯材料磁導(dǎo)率;Ip為初級激磁電流;f為初級激磁頻率;X為鐵芯位移;T為環(huán)境溫度;k1,k2均為與線圈、鐵芯、其他裝配結(jié)構(gòu)尺寸及初次級線圈匝數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

對無補(bǔ)償?shù)奈灰苽鞲衅?

如果位移在正常有限范圍,那么X因數(shù)可以F(X)的形式分離出來。對于完全對稱結(jié)構(gòu),k1=k2=k,則:

因?yàn)棣?μ(T,Ip,f),因此

可知輸出(e1-e2)與溫度、激磁電流、激磁頻率等傳感器參數(shù)有關(guān)。若將輸出用(e1-e2)/ (e1+e2)表示,則:

上述表達(dá)式不含T,Ip和f,因此與這些參數(shù)無關(guān)。由于F(X)+F(-X)在鐵芯位移X變化時(shí)保持恒定不變,故輸出取決于差動(dòng)信號[F(X)-F(-X)],消除了溫度、激磁電流、激磁頻率等傳感器參數(shù)的影響,可以通過構(gòu)建IC 除法器實(shí)現(xiàn)。

采用該方法提高傳感器性能穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)難度較大,對傳感器繞線結(jié)構(gòu)、繞線方式要求較高,但可有效地消除溫度、激磁電流、激磁頻率等對傳感器輸出造成的影響,從根本上提高了傳感器性能穩(wěn)定性。

3.3 位移傳感器信號變送調(diào)理電路

根據(jù)上述自補(bǔ)償傳感器原理可知,傳感器的次級線圈不必用兩組,繼續(xù)使用完全對稱的一組次級線圈,僅需在原有SE5521 信號變送調(diào)理電路基礎(chǔ)上,構(gòu)建新的信號變送調(diào)理電路,使其完成(e1-e2)/(e1+e2)算法即可,再用后續(xù)電路完成解調(diào)、濾波及放大等功能,使其最終輸出與溫度、激磁電流、激磁頻率等傳感器參數(shù)無關(guān)的直流電壓。采用該方法可有效地降低差動(dòng)變壓器式位移傳感器線圈繞制難度,解決傳感器在寬溫域下輸出受溫度影響的問題。通過對不同變送器芯片進(jìn)行分析,AD598 變送器芯片完全可以實(shí)現(xiàn)上述功能[6-8]。

3.3.1 基于AD598 變送器的位移傳感器信號變送調(diào)理電路

AD598 是一種完整的單片式位移傳感器信號變送調(diào)理電路,其原理框圖如圖4 所示。

圖4 AD598 原理框圖Fig.4 Schematic diagram of AD598

AD598 對差動(dòng)變壓器式位移傳感器進(jìn)行信號調(diào)理,能夠?qū)⑽灰苽鞲衅鞯臋C(jī)械位置變化轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。AD598 將所有的電路功能都集成在一塊芯片上,在外圍電路中增加電阻及電容等無源元件,就能確定激磁信號幅值、頻率及輸出電壓的幅值。AD598 芯片內(nèi)部存在如下功能模塊:(1)可產(chǎn)生位移傳感器初級激磁信號的低失真正弦波振蕩器;(2)輸出放大器;(3)接收位移傳感器次級輸出的兩個(gè)正弦信號的輸入級、除法器、濾波器及其輸出放大器,在AD598 的除法器中,將來自位移傳感器次級的兩路輸出實(shí)現(xiàn)(e1-e2)/(e1+e2)算法。

AD598 芯片電路圖如圖5 所示,這種電路方式需要位移傳感器引出中間抽頭,即需引出差動(dòng)變壓器式位移傳感器同名端抽頭,適用于輸出形式為五線制(輸出線為五根)或六線制的位移傳感器。

圖5 位移傳感器變送電路圖Fig.5 The transmitter circuit diagram of LVDT

(1)信號發(fā)生器部分

由C1決定激磁電壓頻率f,C1=35/f,若f=8 kHz,則C1=4375 pF,選擇4300 pF。

采用AD598 解調(diào)電路時(shí),輸入電壓VIN的有效值Vrms在1～3.5 V 時(shí)其線性度最好,噪聲最小,故首先根據(jù)傳感器的電壓傳遞系數(shù)VTR(傳感器激勵(lì)電壓VPRI與次級線圈輸出電壓VSEC的比值),求出傳感器輸出電壓VEXC,再根據(jù)圖6 決定R1大小。

圖6 R1 與VEXC的關(guān)系Fig.6 The relationship of R1 and VEXC

(2)濾波器部分

電容C2,C3和C4是AD598 位置測量系統(tǒng)所要求的頻帶寬度函數(shù),其標(biāo)稱值與系統(tǒng)頻率fSYS有關(guān),為:C2=C3=C4=10-4/fSYS,取fSYS=100 Hz,則C2=C3=C4=0.01 μF,滿足伺服系統(tǒng)要求,即在頻率f=50 Hz 時(shí)滿足幅值比為1±1%,相位滯后不大于3°的頻響要求。

(3)零位、增益調(diào)整

電阻R2確定AD598 增益和滿量程輸出電壓范圍。

式中:S為LVDT 的靈敏度;d、Vout分別為滿量程時(shí)鐵芯的位移和電壓輸出;VPRI為初級激磁電壓。

R3和R4可確定正或負(fù)的輸出失調(diào)電壓調(diào)整范圍,即可以用來調(diào)整傳感器的最終零位輸出電壓VOS。

位移傳感器的零位不需調(diào)整時(shí),R3和R4開路,若需正向調(diào)整將R4開路,反之將R3開路。

3.3.2 基于AD698 變送器的位移傳感器信號變送調(diào)理電路

雖然以AD598 的變送算法完全滿足式(10)需要,但由于其適用于輸出形式為五線制或六線制的位移傳感器,不適用于四線制輸出的位移傳感器,其實(shí)用能力具有一定的局限性。而AD698 信號變送調(diào)理電路的變送算法與之類似,也能消除如頻率、激磁電流及溫度的影響,特別是AD698 可適用于各種輸出形式的位移傳感器,使用AD698 更方便[9-13]。故在本研究中,采用AD698 構(gòu)建傳感器信號變送調(diào)理電路,圖7 為AD698 原理框圖,其基本功能為:芯片內(nèi)部集成了信號發(fā)生放大電路、信號比率解調(diào)電路、濾波和放大電路,通過對AD698 與LVDT 進(jìn)行配調(diào),能夠高精確和高再現(xiàn)性地將位移傳感器的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。

圖7 AD698 原理框圖Fig.7 Schematic diagram of AD698

圖8 所示為基于AD698 的位移信號變送調(diào)理電路,對于輸出形式為五線制或六線制的位移傳感器,可將位移傳感器次級線圈中心抽頭直接或短接后接4點(diǎn)和地,對于輸出形式為四線制的位移傳感器,將位移傳感器的交流輸出信號接1 點(diǎn)、2 點(diǎn)。因?yàn)锳D698內(nèi)部的濾波器不能滿足需要,故增加了二階有源濾波器。信號發(fā)生器和零位及增益參數(shù)的計(jì)算同AD598。

圖8 基于AD698 的位移變送器電路圖Fig.8 The transmitter circuit diagram of displacement based on AD698

3.3.3 試驗(yàn)分析

由于位移傳感器所用信號變送調(diào)理電路包括SE5521、AD698 及AD598 信號變送調(diào)理電路,故對上述三種信號變送調(diào)理電路進(jìn)行試驗(yàn),對影響位移傳感器性能的溫度、激磁電壓、激磁頻率等進(jìn)行試驗(yàn),并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。

(1) 常溫試驗(yàn)

對同一臺(tái)位移傳感器,固定位移傳感器拉桿位置,使信號調(diào)理電路直流輸出為0 V,改變位移傳感器的激磁電壓及激磁頻率,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1 中可以看出:對于AD598/AD698 信號變送調(diào)理電路,當(dāng)改變信號變送調(diào)理電路激磁電壓時(shí),對輸出影響較小,當(dāng)改變信號變送調(diào)理電路激磁頻率時(shí),經(jīng)芯片解調(diào)后輸出的直流電壓出現(xiàn)變化;對SE5521 信號變送調(diào)理電路,在改變外圍電阻、電容時(shí),激磁電壓幅值幾乎不隨外加阻容改變,激磁頻率改變時(shí),直流輸出變化較大,且該輸出的變化比AD598/AD698 要大。故采用AD598/AD698 芯片可有效地消除激磁電壓、激磁頻率對位移傳感器性能的影響。

表1 AD598/AD698 常溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data of AD598/AD698 at normal temperature

(2) 溫度試驗(yàn)

用同一臺(tái)位移傳感器與不同信號變送調(diào)理電路配對,置于溫度箱內(nèi),并調(diào)節(jié)拉桿使位移傳感器處于零位位置,調(diào)整溫度箱溫度,測量位移傳感器的輸出,結(jié)果見表2。

從表2 可以看出,位移傳感器與AD598/AD698配對下,在溫度影響下,位移傳感器輸出變化較小,其變化量遠(yuǎn)小于位移傳感器與SE5521 配對形式。數(shù)據(jù)變化原因?yàn)槲灰苽鞲衅骷靶盘栕兯驼{(diào)理電路在溫度下數(shù)據(jù)變化累積。

表2 溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The experimental data at different temperatures

故對信號變送調(diào)理電路進(jìn)行溫度特性試驗(yàn),試驗(yàn)方法是將信號變送調(diào)理電路放在溫度環(huán)境中,位移傳感器處于常溫環(huán)境,結(jié)果見表3。

由表3 可以看出AD598/AD698 位移信號變送調(diào)理電路在溫度環(huán)境下輸出穩(wěn)定,而表2 中輸出發(fā)生變化的原因?yàn)槲灰苽鞲衅魇軠囟扔绊憣?dǎo)致;SE5521 位移信號變送調(diào)理電路在溫度環(huán)境下出現(xiàn)較大變化,在于位移信號變送調(diào)理電路自身有較大溫度漂移所致,造成傳感器直流輸出變化量較大,影響了位移傳感器在全溫域下的精度。

表3 芯片溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 The experimental data of chips at different temperatures

故通過對表1～ 3 數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析,采用AD598/AD698 位移變送器可有效地減小溫度、激磁電壓及激磁頻率對傳感器性能的影響,提高傳感器性能穩(wěn)定性,且采用AD598/AD698 位移變送器實(shí)現(xiàn)較為容易。

4 結(jié)論

位移傳感器與傳統(tǒng)的信號變送調(diào)理電路匹配,直流輸出電壓易受外界環(huán)境溫度影響。為提高位移傳感器在全溫域范圍內(nèi)高精度要求,可采用熱敏電阻改變位移傳感器溫度范圍、自補(bǔ)償差動(dòng)變壓器式位移傳感器及改變位移傳感器信號變送調(diào)理電路方法,其中采用熱敏電阻雖能改變位移傳感器在一定溫度區(qū)域內(nèi)的溫度特性,但無法進(jìn)行全溫域補(bǔ)償,故無法實(shí)現(xiàn)位移傳感器全溫域高精度要求;而自補(bǔ)償差動(dòng)變壓器式位移傳感器,通過在位移傳感器次級線圈上增加一組完全對稱的次級線圈,再輔以帶除法功能的信號變送調(diào)理電路,可以降低溫度對位移傳感器性能穩(wěn)定性的影響,但缺點(diǎn)是位移傳感器繞線相對較麻煩。通過分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,表明位移傳感器配以AD598/AD698 信號調(diào)理芯片,能較好地解決傳感器受環(huán)境溫度影響的問題,從而可以提高傳感器性能穩(wěn)定性,采用該方法實(shí)現(xiàn)較為容易,且能保證位移傳感器在全溫域下高精度工作的要求。