差動變壓器式位移傳感器原理及應用分析

梁 冰，張友明

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163412)

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·經驗交流·

差動變壓器式位移傳感器原理及應用分析

梁 冰，張友明

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163412)

位移傳感器是井徑儀的關鍵部件，隨著井徑測量技術的發展，傳統的拉桿電位器式位移傳感器由于存在諸多缺陷，已不再適用。這里介紹了差動變壓器式位移傳感器的原理、結構及應用方法，并以31DH/±8 mm型差動變壓器的性能檢測實驗為基礎，詳細分析了該傳感器的應用效果，證明了該種傳感器具有耐高溫、線性度好、分辨率高及使用方便等特點，是井徑儀的首選傳感器。關鍵詞：差動變壓器；位移傳感器；井徑儀

0 引 言

井徑儀[1]是油田套管狀況檢測的主要手段之一，對油田生產起到了重要作用。近年來井徑儀逐漸采用差動變壓器式位移傳感器，代替了多年來使用的拉桿電位器式位移傳感器，拉桿電位器式位移傳感器因溫度、精度、線性度以及耐磨性等方面的缺陷，應用中存在測量誤差大，重復性差，信號漂移嚴重、壽命短等問題。差動變壓器式位移傳感器具有耐高溫、線性度好、分辨率高及使用方便等特點是井徑儀較為理想的傳感器。

1 差動變壓器式位移傳感器結構、原理及應用方法

差動變壓器式位移傳感器是利用差動變壓器原理制造的。它可以把直線移動的機械位移量變換為電量的變化。廣泛應用于各種位移量(或能轉換為位移的各種物理量，如：伸長、膨脹、應變、壓力等)的測量中。

1．1 差動變壓器結構

如圖1所示，差動變壓器由初級繞組N1和兩個次級繞組N2-1，N2-2組成，但鐵芯是可以移動的。初級線圈作激勵用，相當于變壓器原邊，而次級線圈由兩個結構尺寸和參數相同的線圈反相串接而成，構成變壓器副邊。為防止雜散磁場干擾，常加導磁材料外殼做屏蔽。

圖1 差動變壓器結構

1．2 工作原理

差動變壓器的工作原理可用變壓器原理來解釋，所不同的是：一般變壓器是閉合磁路，而差動變壓器是開磁路，一般變壓器原、副邊間的互感是常數，而差動變壓器原、副邊之間的互感隨鐵芯的移動而作相應變化。差動變壓器正是以互感變化為基礎進行工作的。

若忽略線圈寄生電容及鐵芯損耗，則差動變壓器等效電路[2]如圖2所示：

圖2 差動變壓器等效原理圖

根據變壓器原理，輸出電動勢差可表示為：

(1)

運用電磁學理論及畢奧-沙伐定律進一步推導[3]可得：

(2)

式中：

E2：差動輸出電動勢;

e1:激勵電壓;

N1，N2：初級線圈、次級線圈匝數;

L，l2: 初級線圈、次級線圈長度;

L1、R1：初級線圈電感、電阻;

Aa： 鐵芯截面積;

μ0，μr:空氣、鐵芯磁導率;

ω：激勵電壓圓頻率;

Δx：鐵芯位移量。

對一個具體的差動變壓器來說，N1，N2，L，l2，Aa是固定值，R1，L1，μ0，μr也可看成是常數；所以，上式表明，差動輸出電壓E2是ω，e1的函數，若激勵頻率ω、激勵電壓也選定，輸出電壓E2將只與鐵芯位移量有關且是正比例關系。

1．3 差動變壓器應用方法

如圖3所示是差動變壓器式位移傳感器應用于井徑儀的原理框圖。其工作過程是：井徑儀測量臂探測套管的內徑變化，傳動機構將這個變化按比例轉換成垂直方向的位移，并傳遞給位移傳感器，傳感器將該位移轉換成電信號，經放大、整流輸出一個正比于位移量的直流電平，最后送后級系統記錄或顯示，從而達到測量套管內徑變化的目的。

圖3 應用方法示意圖

1．3．1 激勵電源

如圖4、5所示分別是某傳感器e1和ω對E2、靈敏度K的關系曲線[3]。如圖4所示，e1越高，相同位移量引起的E2也越高，即傳感器靈敏度越大，但e1也不能過大，過大會使變壓器線圈發熱而引起較大的信號漂移，應根據情況選取合適值；如圖5所示，ω與傳感器靈敏度呈非線性關系，在某頻率段，靈敏度與頻率幾乎無關，頻率過高或過低靈敏度均會下降。

圖4 E2與激勵電壓關系

圖5 靈敏度與激勵頻率關系

所以，要求激勵電源[4]輸出電壓必須穩定，而頻率只要選取合適，小范圍的波動對差動輸出電壓影響不大。

1．3．2 精密整流電路

精密整流電路[5]是有關檢測精度的另一關鍵，以往多由分立元件構成，電路復雜，精度也不高；為此選用了專用的任意波形真有效值-直流轉換器來構成精密整流電路，該集成芯片可計算任何復雜波形的真有效值，且有很高的精度和寬的動態范圍，在0～2 V真有效值輸入時，最大非線性度為0.04%，附加誤差為0.1%，這是分立元件和模塊電路所無法達到的；另外，它允許激勵波形有一定的失真，這在一定程度上也簡化了激勵源設計。

2 傳感器性能檢測實驗及分析

31DH/±8 mm型傳感器是某廠生產的一種的高溫、大量程、高精度傳感器，其主要技術指標是：

外 徑：8 mm，帶回復彈簧；

耐 溫：175℃；

測量范圍：±8 mm，線性度0.5%。

下面就其線性度、分辨能力、耐溫性能等主要指標進行檢測實驗，按圖3 所示制作了實驗用激勵電源及檢測電路，實驗參數為：激勵電壓幅度3 V，頻率3 kHz，差

動放大器增益為1；檢測實驗選用螺旋測微儀來作位移發生器，位移精度可達1 μm。

2．1 線性度檢測實驗及分析

以傳感器零點為中心，以滿量程的5%(標準規定是10%)為步進量，從-8 mm到+8 mm，測得的數據和曲線圖見表1和圖6。

表1 線性度檢測實驗數據表

圖6 線性度實驗曲線

由曲線圖可看出，在±8 mm 的量程范圍內，位移與輸出電壓有良好的線性關系，經計算，線性度分別為0.14%、0.143%、0.11%、0.10%，均小于0.5%，靈敏度為114.3 mV/mm、114 mV/mm、115.6 mV/mm、100.1 mV/mm。

2．2 溫度實驗及分析

為了檢驗傳感器及檢測電路的溫度性能，傳感器及電路同時被放入烘箱，測得的數據及相應曲線見表2和圖7(以#1傳感器為例)。

表2 溫度實驗數據表

圖7 溫度實驗曲線

P1，P2分別是小位移(約2 mm)和滿量程(約8 mm)時溫度實驗曲線，由實驗數據知，在小位移時，溫度40℃～180℃對應輸出為229～224 mV，即ΔV=5 mV,換算成位移量為0.026 mm；滿量程時，溫度40℃～180℃時，ΔV=9 mV,換算成位移量為0.052 mm。可見溫度對測量誤差的影響很小。

2．3 分辨能力實驗及分析

為了檢測傳感器對小位移的分辨情況，對#1傳感器進行了步進20 μm的小位移實驗，為直觀起見，直接用某廠生產的位移檢測儀二次儀表作試驗裝置，該儀表激勵電壓、頻率同上述實驗，并直接顯示位移量，精度1 μm。表3和圖8所示是部分實驗數據及相應曲線。

由實驗可知，位移每變化20 μm，輸出變化平均值也約為20 μm，所以，傳感器對20 μm位移量有較好的分辨能力。

表3 分辨能力實驗數據表

圖8 分辨能力實驗曲線

由上述實驗可知，傳感器在±8 mm范圍內能達到0.5%的線性度，在不大于180℃環境中有較小的溫漂誤差，對20 μm的位移量有較好的分辨能力。若井徑儀傳動比為10：1，則動態范圍為0～160 mm(僅用傳感器單方向)，分辨能力可達0.2 mm，在40℃～180℃范圍內，滿量程誤差不大于0.52 mm,完全能滿足實際需要。為了保證上述指標性能，差動變壓器式位移傳感器在制作工藝上還要注意雙繞組的對稱性、繞組之間耦合程度、磁芯的材質及外殼體的屏蔽等。

3 結 語

差動變壓器式位移傳感器在較寬的測量范圍內有很高分辨能力，靈敏度高，輸出信號幅度大，與之配套使用的二次儀表相應的比較簡單，抗干擾能力也強；溫度系數較小，因此適用于環境溫度變化的場所；結構簡單，因此與其他結構形式的傳感器相比售價較低，是井徑儀的較理想的傳感器，有很好的應用前景。

[1] 原海涵．石油地球物理測井[M]．北京：石油工業出版社，1992：222-225.

[2] 嚴鐘豪．非電量電測技術[M]．北京：機械工業出版社，1989：114-116.

[3] 劉迎春，葉湘濱．傳感器原理、設計與應用[M]．北京：人民郵電出版社，2006：49-82.

[4] [美] Abrahan I．Pressman/Keith Billings/Taylor Morey 著，王志強，肖文勛，虞 龍，譯．開關電源設計[M]．北京：電子工業出版社，2013:72-98.

[5] 呂俊芳．傳感器調理電路設計理論及應用[M]．北京：航空航天大學出版社，2010：122-129.

Principle and Application Analysis of Differential Transformer Displacement Sensor

LIANG Bing, ZHANG Youming

(DaqingLoggingandTestingServicesCompanyResearchandDevelopmentCentre,Daqing,Heilongjiang163412,China)

Displacement sensor is the key part of the caliper, with the development of the caliper measurement technology, traditional lever potentiometer displacement sensor, because of many defects, is no longer applicable.The paper introduces the basic principle,structure, application method of the differential transformer type displacement sensor,With the 31DH/±8 mm model differential transformer type displacement sensor performance test experiment as the foundation, the application effect of the sensor is analyzed in detail, which prove that this kind of sensor has high temperature resistance, good linearity, high resolution and convenient use, etc, is the first selection of caliper sensors.

differential transformer ;displacement sensor;caliper

梁 冰，男，1970年生，工程師，2001年畢業于大慶石油學院計算機專業，現在從事工程測井儀器的研發工作。E-mail:Dlts_liangbing@petrochina.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)05-0083-04

2016-01-12 編輯：韓德林)