一種差動變壓器式位移傳感器的建模仿真分析

鄭西洋，許益民

（武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢430081）

差動變壓器式位移傳感器LVDT 是利用電磁感應(yīng)原理來測量位移量，實現(xiàn)閉環(huán)控制的主要裝置[1]，提高LVDT 位移傳感器的靈敏度是改善高性能電液比例伺服閥設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]，本文選擇初級線圈長度、匝數(shù)，次級線圈的長度、匝數(shù)，來研究對輸出電壓的影響和對靈敏度的影響。

1 LVDT 的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 LVDT 的結(jié)構(gòu)

圖1 LVDT 的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the LVDT

LVDT 的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 鐵芯平時處在兩線圈的對稱位置上，使兩邊線圈的初始電壓相等。當(dāng)鐵芯因被測物體位移在線圈里移動時，感應(yīng)電壓將反應(yīng)被測物體的位移量的大小和方向。

1.2 LVDT 的工作原理

LVDT 線圈的內(nèi)部是一個自由移動的柱狀鐵芯。當(dāng)鐵芯發(fā)生移動時，將引起線圈電感的變化，形成感應(yīng)電壓。圖2為LVDT 的等效電路。

圖2 LVDT 等效電路Fig 2 LVDT equivalent circuit

圖中：U1、U2為初級線圈激勵電壓和次級線圈感應(yīng)差值電壓；E21、E22為次級線圈1、2 的感應(yīng)電動勢；L1、L21、L22為初級、兩次級線圈電感；R1、R21、R22為初級、兩次級線圈的有效電阻；M1、M2為初級與次級線圈1、2 間的互感。

2 LVDT 的建模仿真

2.1 建模仿真的參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用Ansoft Maxwell 對LVDT 進行仿真時，步驟如下：

步驟1LVDT 的等效建模。在進行仿真求解過程中，若所建模型與實際形狀高度相符，則計算結(jié)果會更加準(zhǔn)確。但實際操作中，受電腦計算能力的限制，在考慮計算效率的情況下，對模型進行合理的簡化是必需的，也是必要的[3]。考慮到LVDT 為圓柱體結(jié)構(gòu)，在不考慮結(jié)構(gòu)誤差和導(dǎo)磁不均勻的情況下，其內(nèi)部磁場分布是均勻的，故可采用2D 模型代替3D 模型，且對仿真分析結(jié)果不會有太大的影響。

步驟2指定模型材料和定義磁化曲線。對于LVDT 瞬態(tài)電磁場分析，需要指定以下模型的材料，如表1所示。對于非線性的導(dǎo)磁材料，需要設(shè)置材料的BH 曲線。如圖3所示。

步驟3添加外部電流激勵。仿真時，為了讓計算結(jié)果逼近實際，在仿真軟件中選擇外部電路激勵，在ANSYS Electromagnetics 中使用Maxwell Circuit Editor 外部電路編輯專用軟件添加各類元器件完成電路的繪制。如圖4所示。

表1 模型的材料屬性Tab.1 Material properties of the model

圖3 BH 曲線Fig.3 BH curve

圖4 LVDT 外部激勵電路Fig.4 LVDT external excitation circuit

步驟4設(shè)置邊界條件。LVDT 分析時，在LVDT的域外施加Ballon 邊界即可。如圖5所示。

圖5 氣球邊界設(shè)置Fig.5 Balloon border settings

步驟5求解選項參數(shù)設(shè)置。在仿真軟件中，執(zhí)行Maxwell2 D/Analysis Setup/Add Solution setup命令，彈出求解設(shè)置對話框，如圖6所示。本次仿真只針對一般設(shè)置與場信息保存進行設(shè)置，其他項均采用軟件系統(tǒng)默認設(shè)置。在一般設(shè)置中，設(shè)置求解名稱為setup1，設(shè)置求解終止時間為0.1 s。場信息保存時間步長設(shè)置為0.0005 s， 即場求解每2 步保存一次， 然后單擊Add to List 按鈕將具體設(shè)置增加到時間菜單中，具體設(shè)置如圖7、圖8所示。

圖6 計算參數(shù)設(shè)置界面Fig.6 Calculation parameter setting interface

圖7 設(shè)置求解步長Fig.7 Setting the solution step

2.2 仿真計算及后處理

根據(jù)之前敘述的工作原理可知，LVDT 中鐵芯向兩端次級線圈移動時的輸出位移-電壓曲線是關(guān)于Y 軸對稱的，故在仿真計算時，只需進行，鐵芯從中間位置向左端或右端次級線圈移動行程的求解，鐵芯位移關(guān)系如圖8所示。在鐵芯從兩端位置向中間位置移動時，輸出電壓與鐵芯位移關(guān)系如圖9所示。

圖8 鐵芯位移關(guān)系Fig.8 Core displacement relationship

圖9 輸出電壓與鐵芯位移關(guān)系Fig.9 Relation between output voltage and core displacement

3 LVDT 的仿真結(jié)果及分析

Maxwell 是基于可視化操作交互式設(shè)置的電磁仿真軟件[4]。同時，該軟件的處理速度快，能快速進行有限元單元格剖分。有很多影響LVDT 靈敏度的因素，根據(jù)瞬態(tài)電磁場數(shù)值計算原理，在Maxwell 中建立LVDT 的二維仿真模型， 通過改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣元件的數(shù)值進行仿真分析。在此，只分析結(jié)構(gòu)因數(shù)的影響。

3.1 初級線圈長度對輸出電壓的影響

由于在電信號的激勵下，隨著鐵芯的移動，輸出電壓也隨之變化[5]。通過對仿真軟件的設(shè)置，分別給定初級線圈為5 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm條件下， 位移為4 mm、2 mm、0 mm、-2 mm、-4 mm時，進行仿真求解，得不同位移量下不同初級線圈長度下的輸出電壓值，如表2所示。

表2 各位移量下不同初級線圈長度下輸出電壓值表Tab.2 Output voltage values for different primary coil lengths under various displacements

3.2 初級線圈匝數(shù)對輸出電壓的影響

通過對仿真軟件的設(shè)置，分別給定初級線圈為600 匝、700 匝、800 匝、900 匝、1000 匝時，位移為4 mm、2 mm、0 mm、-2 mm、-4 mm 時， 進行仿真求解， 得不同移量下不同次級線圈匝數(shù)下輸出電壓值，如表3所示。

表3 各位移量下不同初級線圈匝數(shù)下輸出電壓值表Tab.3 Output voltage values for different primary coil turns under various displacements

3.3 次級線圈長度對輸出電壓的影響

通過對仿真軟件的設(shè)置，分別給定次級線圈長度為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm 下， 位移為4 mm、2 mm、0 mm、-2 mm、-4 mm 時，進行仿真求解， 得不同移量下不同次級線圈長度下輸出電壓值，如表4所示。

表4 各位移量下不同次級線圈長度下輸出電壓值表Tab.4 Output voltage values for different secondary coil lengths under various displacements

3.4 次級線圈匝數(shù)對輸出電壓的影響

通過對仿真軟件的設(shè)置，分別給定次級線圈為600 匝、700 匝、800 匝、900 匝、1000 匝時，位移為4 mm、2 mm、0 mm、-2 mm、-4 mm 時， 進行仿真求解，得不同位移量下不同次級線圈匝數(shù)下輸出電壓值，如表5所示。

表5 各位移量下不同次級線圈匝數(shù)下輸出電壓值表Tab.5 Output voltage values of different secondary coil turns under various displacements

3.5 初級線圈長度、匝數(shù)與靈敏度的關(guān)系

對4 mm 至-4 mm 軸向范圍的位移， 在初級線圈長度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，初 級 線圈匝 數(shù) 分 別 為500 匝、600 匝、700 匝、800匝、900 匝時的靈敏度，如表6所示。其靈敏度與初級線圈長度、初級線圈匝數(shù)如圖10、圖11所示。

表6 初級線圈長度、匝數(shù)與靈敏度的關(guān)系表Tab.6 Relationships between the length，turns and sensitivity of primary coils

圖10 初級線圈長度與靈敏度的關(guān)系Fig.10 Relationship between the length of primary coil and sensitivity

圖11 初級線圈匝數(shù)與靈敏度的關(guān)系Fig.11 Relationship between the number of primary coil turns and sensitivity

3.6 次級線圈長度、匝數(shù)與靈敏度的關(guān)系

對4 mm 至-4 mm 軸向范圍的位移， 在初級線圈長度分別為55 mm、65 mm、75 mm、85 mm、95 mm，初級線圈匝數(shù)分別為480 匝、580 匝、680 匝、780 匝、880 匝時的靈敏度，如表7所示。其靈敏度與次級線圈長度、次級線圈匝數(shù)如圖12、圖13所示。

表7 次級線圈長度、匝數(shù)與靈敏度的關(guān)系表Tab.7 Relationship between the length，turn number and sensitivity of secondary coils

圖12 次級線圈長度與靈敏度的關(guān)系Fig.12 Relationship between secondary coil length and sensitivity

4 結(jié)語

本文通過建立LVDT 仿真模型利用Maxwell 進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明隨著初、次級線圈的長度、匝數(shù)增加，LVDT 的靈敏度逐漸提高，但由于在工程使用過程中受使用空間、材料成本和對實際使用精度的要求，LVDT 的初、 次級線圈的長度、匝數(shù)和整體尺寸應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，才能滿足實際市場要求。仿真結(jié)果對LVDT 的改進提供了參考依據(jù)，有助于LVDT 的結(jié)構(gòu)改良設(shè)計，并具有一定的參考借鑒意義。

圖13 次級線圈匝數(shù)與靈敏度的關(guān)系Fig.13 Relationship between the turn number of secondary coils and sensitivity