一種用于轉(zhuǎn)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(xué)，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(zhuǎn)子位移測量為應(yīng)用基礎(chǔ)，設(shè)計了一種具有容錯能力的轉(zhuǎn)子位移傳感器，并就其容錯機(jī)理進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和原理性分析，為轉(zhuǎn)子的高可靠性位移測量提供技術(shù)參考。

1 傳統(tǒng)的差動式轉(zhuǎn)子位移傳感器

1.1 傳統(tǒng)的差動式轉(zhuǎn)子位移傳感器結(jié)構(gòu)分析

圖1 差動式位移傳感器示意圖

轉(zhuǎn)子位移傳感器主要用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子偏移測量，如經(jīng)常作為關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用于高速電機(jī)、磁懸浮軸承的控制系統(tǒng)組成部分，在特定控制算法的作用下實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定可靠懸浮，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位移傳感器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

在圖1中，左右兩側(cè)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(lián)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(dǎo)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(dǎo)磁體的截面積。經(jīng)相關(guān)運算推導(dǎo)可得差動變壓器式位移傳感器的輸入輸出關(guān)系表示式如(1)所示。

進(jìn)一步推導(dǎo)可得到物體上下位移的表達(dá)式如(2)所示。

1.2 傳統(tǒng)的差動式變壓器式轉(zhuǎn)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(shè)計而成的。在實際應(yīng)用過程中，當(dāng)被測對象（如轉(zhuǎn)子）位移發(fā)生變化時，傳感器上的次級線圈之間的互感就會變化，導(dǎo)致實際所測對應(yīng)的輸出電壓也隨之發(fā)生變化，接著通過事先設(shè)計好的外部處理電路將感應(yīng)得到的電壓變化信號轉(zhuǎn)換為與被測物體位移大小和方向，進(jìn)而實現(xiàn)位移的實時檢測目的。

因此為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的位置，其結(jié)構(gòu)通常設(shè)計成如圖2所示。

圖2 兩個互相垂直方向布置的轉(zhuǎn)子位移傳感器結(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhuǎn)子位移量存在線性關(guān)系，所以u1out與u2out所對應(yīng)的是轉(zhuǎn)子在x與y方向的位移分別為xoffset與yoffset，則表示轉(zhuǎn)子偏離正常工作坐標(biāo)（0,0）位置，轉(zhuǎn)子在位置水平方向偏移xoffset，豎直方向偏移yoffset（xoffset與yoffset是代數(shù)量，有正負(fù)號）。因此，該傳感器可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位移的實時檢測。

1.3 傳統(tǒng)的差動式轉(zhuǎn)子位移傳感器優(yōu)勢分析

從以上的敘述可以知道，差動式轉(zhuǎn)子位移傳感器具有一系列優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）無機(jī)械接觸。轉(zhuǎn)子與鐵心磁極之間是無接觸的，只需要電磁關(guān)系進(jìn)行信號傳遞，避免傳感器摩擦損壞，可延長使用壽命。（2）響應(yīng)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(yīng)能力，對于快速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(guān)系換算，提高了傳感器精度。

1.4 傳統(tǒng)的差動式轉(zhuǎn)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(yōu)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(xiàn)問題或由于其他原因如過載，二次短路或分接開關(guān)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(xiàn)問題，機(jī)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(guān)的方面，一旦出現(xiàn)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(jìn)行檢查。

儀器損壞后，不能正常使用，若進(jìn)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(fù)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(jìn)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(chǎn)成本。同時，也會耽誤時間，延長工期。

2 具有容錯能力的轉(zhuǎn)子位移傳感器設(shè)計

2.1 具有容錯能力的轉(zhuǎn)子位移傳感器結(jié)構(gòu)分析

本文改進(jìn)后的具有容錯能力的轉(zhuǎn)子位移傳感器由三組差動傳感器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

由上述原理可知，電壓U與位移X呈線性關(guān)系，若3組差動式位移傳感器的輸出電壓分別為u1，u2，u3，設(shè)其對應(yīng)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(shù)據(jù)即可測出此時轉(zhuǎn)子偏離中心的位移，此處以用第1第2組數(shù)據(jù)為例進(jìn)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(jìn)行換算得到對應(yīng)的位移偏移量。

2.2 具有容錯能力的轉(zhuǎn)子位移傳感器特性分析

從圖3的結(jié)構(gòu)示意圖可知，由于改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子位移傳感器有三組傳感器，當(dāng)有一組傳感器發(fā)生故障時，假設(shè)為3號，則測量結(jié)果同上述未壞時結(jié)果相同，若1號或2號傳感器損壞，假設(shè)為1號損壞，則2號與3號傳感器產(chǎn)生的電壓分別為u2ˊ與u3ˊ。設(shè)u2ˊ與u3ˊ所對應(yīng)的位移分別為x2ˊ與x3ˊ，則轉(zhuǎn)子偏離正常工作時轉(zhuǎn)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(xù)保持正常工作，這可以大大提高傳感器的容錯能力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的高可靠性功能。

3 結(jié)論

本文提出的改進(jìn)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(zhuǎn)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(jié)約資源，保證生產(chǎn)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(shù)據(jù)可使用，更提高了其數(shù)據(jù)的可靠性，可應(yīng)用于航空航天、核電、軍事等領(lǐng)域。VLSI設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用, 2012 ,31 (22) ：23-25.