差動(dòng)變壓器式位移傳感器零位電壓研究

賈惠霞，王 健，張 娟

(1.北方捷瑞光電科技有限公司，陜西西安 710111;2.陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西西安 710065)

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差動(dòng)變壓器式位移傳感器零位電壓研究

賈惠霞1，王 健2，張 娟1

(1.北方捷瑞光電科技有限公司，陜西西安 710111;2.陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西西安 710065)

差動(dòng)變壓器式位移傳感器原理簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。但是位移傳感器會(huì)產(chǎn)生零位電壓，同時(shí)在信號(hào)處理過程中，電路漂移也會(huì)引起測(cè)量誤差。文中主要基于這種傳感器的工作原理和信號(hào)處理過程，闡述零位電壓產(chǎn)生的機(jī)理和消除的方法，提高傳感器的測(cè)量精度，并用MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)的方法證明零位電壓產(chǎn)生的主要部位，進(jìn)而說明差動(dòng)變壓器式位移傳感器加工時(shí)保證磁路對(duì)稱的重要性。

差動(dòng)變壓器式位移傳感器；零位電壓；產(chǎn)生機(jī)理；信號(hào)處理；仿真；實(shí)驗(yàn)

0 引言

差動(dòng)變壓器式位移傳感器(簡(jiǎn)稱為位移傳感器)是把位移轉(zhuǎn)換為模擬電壓的傳感器。具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于測(cè)量預(yù)先被變成位移的各種物理量和可以轉(zhuǎn)換為位移變化的機(jī)械量(如張力、壓力、振動(dòng)、液位等)。主要有以下6個(gè)方面的特點(diǎn)：

(1)無活動(dòng)觸點(diǎn)，可靠性高，壽命長(zhǎng)；

(2)分辨率高，靈敏度好；

(3)線性度高，重復(fù)性好；

(4)測(cè)量范圍寬；

(5)無輸入時(shí)有零位電壓，引起測(cè)量誤差；

(6)對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定度要求較高，不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。

位移傳感器產(chǎn)生零位電壓，對(duì)其使用有著制約作用，因此零位電壓的研究顯得尤為重要。零位電壓力求做到最小，以提高位移傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度。

1 位移傳感器工作原理和零位電壓產(chǎn)生機(jī)理

1.1 差動(dòng)變壓器位移傳感器工作原理

位移傳感器由初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和可動(dòng)鐵芯組成。組成圖和工作原理圖參見圖1。圖1中線圈a、b組成初級(jí)線圈；線圈c、d組成次級(jí)線圈。e為可動(dòng)鐵心。Ma為線圈a和線圈c間的互感，Mb為線圈b和線圈d間的互感。

圖1 差動(dòng)變壓器式位移傳感器原理圖

傳感器初級(jí)兩個(gè)線圈采用同名端串聯(lián)，次級(jí)兩個(gè)線圈采用同名端并聯(lián)的接法。

若位移傳感器激勵(lì)信號(hào)為Vc：

Vc=An×cosωct

(1)

式中：An為位移傳感器激勵(lì)信號(hào)峰峰值；ωc為激勵(lì)信號(hào)的角頻率；Vc為傳感器激勵(lì)信號(hào)。

則傳感器輸出[1]為

(2)

式中：ΔM=Ma-Mb；Ri為次級(jí)線圈的阻值;L1為次級(jí)線圈的電感。

式(2)可簡(jiǎn)化為式(3)：

E0=KΔM

(3)

當(dāng)傳感器激勵(lì)信號(hào)Vc和角頻率ωc一定時(shí)，傳感器的線圈阻值和感量為常值時(shí)，K為常量。

當(dāng)鐵芯在線圈間運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起互感系數(shù)Ma和Mb變化，其變化量就代表了鐵芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由式(3)可知，位移傳感器的輸出就代表了鐵芯的運(yùn)動(dòng)函數(shù)。實(shí)現(xiàn)了鐵芯的位移轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。

在理想的情況下，當(dāng)移動(dòng)鐵心調(diào)到中間位置時(shí)，ΔM為零，但在實(shí)際的加工過程中，位移傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈也不可能做到完全對(duì)稱，磁路不對(duì)稱，移動(dòng)鐵心調(diào)到中間位置時(shí)，ΔM不為零，就產(chǎn)生了零位電壓誤差。

1.2 位移傳感器零位電壓產(chǎn)生機(jī)理

零位電壓是評(píng)定差動(dòng)變壓器性能的重要指標(biāo)之一。產(chǎn)生零位電壓的原因主要有2個(gè)：一是由于次級(jí)繞組兩線圈電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，氣隙不均勻，致使產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值不等，相位不同。這種情況下，不管怎樣調(diào)整移動(dòng)鐵心的位置也不能使零位電壓調(diào)到零；二是由于磁性材料磁化曲線的非線性，磁路不對(duì)稱。另外溫度變化會(huì)引起線圈的銅電阻值的變化，從而引起激磁電流和輸出電流的變化，即造成輸出電壓的變化，產(chǎn)生溫度誤差。圖2是位移傳感器產(chǎn)生零位電壓示意圖。

圖2 位移傳感器產(chǎn)生零位電壓示意圖

要減小零位電壓，首先要在傳感器設(shè)計(jì)和工藝上，力求做到磁路對(duì)稱、線圈對(duì)稱，銜鐵材料要均勻；其次，可在電路上做補(bǔ)償，在差動(dòng)變壓器次級(jí)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，使零位電壓減小。

2 位移傳感器信號(hào)解調(diào)原理

位移傳感器輸出信號(hào)的解調(diào)框圖見圖3。一般采用差分放大的形式將位移傳感器的輸出電壓放大[2],可參見圖4的電路形式。信號(hào)解調(diào)可采用乘法器的電路形式。

圖3 位移傳感器輸出信號(hào)解調(diào)框圖

圖4 位移傳感器輸出電壓差分放大電路

從式(3)可以看出位移傳感器輸出端零位電壓信號(hào)是與激勵(lì)源有一定關(guān)系的交流信號(hào)，包括基波同相分量、基波正交分量和高次諧波分量[1]，經(jīng)過解調(diào)電路(乘法器)解調(diào)后，濾除激勵(lì)源的高頻成分成為直流信號(hào)，其解調(diào)過程如下:

位移傳感器激勵(lì)信號(hào)同式(1)，該信號(hào)同時(shí)送到乘法器。

激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過位移傳感器后就調(diào)制成鐵心運(yùn)動(dòng)函數(shù)。為調(diào)制信號(hào)，經(jīng)差分放大輸出信號(hào)為

Vi=Am×f(t)×cos(ωct+ Ф)

(4)

式中：f(t)為位移傳感器移動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)函數(shù)；Ф為經(jīng)過位移傳感器后激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的相移；Am為調(diào)制信號(hào)的峰峰值信號(hào)。

則經(jīng)乘法器解調(diào)出的解調(diào)信號(hào)的輸出電壓為

Vo=Vi×Vc

=Am×f(t)×cos(ωct+ Ф)×An×cosωct

=Am×An×f(t)/2[cos(2ωct+Ф)+cos Ф]

(5)

后級(jí)的低通濾波電路濾除了Am×An×f(t)]/2×cos[(2ωct+Ф)]的高頻信號(hào)，剩余Am×An×f(t)/2cos Ф項(xiàng)，鐵心運(yùn)動(dòng)函數(shù)f(t)就被解調(diào)出來了。

3 位移傳感器的解調(diào)輸出信號(hào)分析和仿真

用MATLAB軟件對(duì)位移傳感器輸出信號(hào)的解調(diào)過程進(jìn)行仿真[3]，模型見圖5。圖中的Product相當(dāng)于位移傳感器，將激勵(lì)信號(hào)和鐵芯的運(yùn)動(dòng)函數(shù)調(diào)制在一起。當(dāng)位移傳感器無零位電壓時(shí)，差分放大輸出的調(diào)制信號(hào)無直流分量，無論載波信號(hào)有無直流偏置電壓時(shí)，經(jīng)乘法器解調(diào)后輸出的信號(hào)無直流偏置分量，波形是對(duì)稱的，仿真波形見圖6。

圖5 位移傳感器信號(hào)解調(diào)輸出模型

圖6 位移傳感器無零位電壓時(shí)解調(diào)輸出波形

在實(shí)際應(yīng)用中，位移傳感器總是存在零位電壓誤差，差分放大輸出的調(diào)制信號(hào)總是有一個(gè)直流偏置，這個(gè)偏置設(shè)為B，經(jīng)差分放大后代表鐵芯運(yùn)動(dòng)的函數(shù)為

Vs=Am[f(t)+B]×cos(ωct+ Ф)

(6)

經(jīng)乘法器解調(diào)輸出的函數(shù)為

Vo=Vi×Vs

=Am[f(t)+B]×cos(ωct+ Ф)×Ancosωct

=AmAn[f(t)+B]/2{cos(2ωct+Ф)+ cos Ф]

(7)

后級(jí)的低通濾波電路濾除了式(7)中的高頻成分：Am×An×[f(t)+B]/2×cos[(2ωct+Ф)/2]信號(hào)，剩余Am×An[f(t)+B]/2cosФ項(xiàng)，則移動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)信號(hào)f(t)被解調(diào)出來了。輸出信號(hào)就有一個(gè)直流偏置信號(hào)，仿真圖見圖7。

圖7 位移傳感器有零位電壓時(shí)解調(diào)輸出波形

從仿真過程中可以看出，輸出信號(hào)的直流偏置信號(hào)與位移傳感器激勵(lì)信號(hào)的零位電壓沒有關(guān)系，主要與移動(dòng)鐵心信號(hào)的偏置電壓有關(guān)系，也就是說輸出信號(hào)的直流偏置信號(hào)與位移傳感器自身零位電壓有關(guān)系。

4 零位電壓分離試驗(yàn)

從以上理論分析和仿真的情況來看，位移傳感器解調(diào)輸出信號(hào)的偏置電壓主要由位移傳感器本身零位電壓決定，與激勵(lì)信號(hào)和解調(diào)處理電路沒有太大的關(guān)系。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，對(duì)解調(diào)輸出信號(hào)的偏置電壓進(jìn)行分離試驗(yàn)。

分離試驗(yàn)進(jìn)行了3組：

(1)激勵(lì)源穩(wěn)定后測(cè)試輸出偏置電壓；

(2)位移傳感器預(yù)熱穩(wěn)定后測(cè)試輸出偏置電壓；

(3)解調(diào)電路改善后對(duì)比輸出偏置電壓。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1中測(cè)試第2列數(shù)據(jù)結(jié)論：激勵(lì)源已預(yù)熱1 h，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；測(cè)試30 min，直流分量變化了-87.5 mV，前5 min變化較大，變化了67 mV。說明位移傳感器解調(diào)輸出信號(hào)偏置電壓與激勵(lì)源沒有關(guān)系。

表1中測(cè)試第4列數(shù)據(jù)結(jié)論：位移傳感器預(yù)熱0.5 h；測(cè)試3 min，直流分量變化了-18.3 mV，變化較小。說明位移傳感器工作穩(wěn)定后，解調(diào)輸出信號(hào)的偏置電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

將差分放大電路上的運(yùn)放由AD817更換為OP37，器件溫度漂移從10 μV/℃變?yōu)?.2 μV/℃，提高了50倍，上電后測(cè)試直流偏置電壓，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1中第3列數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)論：

測(cè)試30 min，直流分量變化了-96 mV，前7 min變化較大，變化了73 mV。偏置電壓變化趨勢(shì)、變化量和電路改觀前大體是相同的，說明了解調(diào)電路改善對(duì)解調(diào)輸出的偏置電壓沒有影響。

試驗(yàn)說明，解調(diào)輸出信號(hào)的偏置電壓主要由位移傳感器自身的零位電壓決定，而且位移傳感器預(yù)熱5 min后，零位電壓達(dá)到常值。

表1 位移傳感器解調(diào)輸出偏置電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

通過理論分析、建模仿真和試驗(yàn)分離，確定了位移傳感器和信號(hào)解調(diào)輸出這個(gè)系統(tǒng)中，直流偏置電壓產(chǎn)生的根源是位移傳感器自身存在零位電壓，要解決這一系統(tǒng)的直流偏置電壓帶來的測(cè)量誤差，主要還是要減小位移傳感器自身零位電壓。

位移傳感器的零位電壓對(duì)其使用有著制約作用，因此位移傳感器的加工就顯得尤為重要。要制定位移傳感器加工過程參數(shù)，對(duì)線圈的電氣性能篩選、配對(duì)。制作裝配工裝，保證線圈的平行度和同軸度，也保證了工藝參數(shù)的一致性，裝配時(shí)保證磁路對(duì)稱，減小位移傳感器零位電壓，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

[1] 劉昌旭，航空專業(yè)教材編審組.控制系統(tǒng)元件.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997：33-44.

[2] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,1998:171-199.

[3] 周凱利，鄧春暉.MATLAB基礎(chǔ)及其應(yīng)用教程.北京：北京大學(xué)出版社，2007:214-249.

Study on Zero-point Remainder Voltage of Differential Transformer Displacement Sensor

JIA Hui-xia，WANG Jian，ZHANG Juan

(1.Xi’an North Jierui Opto-electronics Technology Ltd.,Xi’an 710111,China； 2.Shaanxi Huajing microelectronic Co.,Ltd.,Xi’an 710065,China)

The principle of the differential transformer displacement sensor is very simple,and it is very easy to realize.The measurement errors exit not only because of zero-point remainder voltage of the carrier,but also because of the circuit drift in the process of signal processing.This article was based on the principle and the signal processing of this kind of sensor,and the principle of zero-point remainder voltage and the method of removing it were introduced,thus improving the certainty of measurement.The main part of null voltage was proved through MATLAB simulation and experiment,thus proving the importance of magnetic circuit symmetry in the differential transformer displacement sensor.

differential transformer displacement sensor；zero-point remainder voltage；the principle of zero-point remainder voltage；signal processing；simulation；experiment

2014-01-03 收修改稿日期：2014-11-10

TP212.9

A

1002-1841(2015)02-0082-03

賈惠霞(1968—)，高級(jí)工程師，主要從事電子技術(shù)和激光陀螺控制系統(tǒng)方面的研究。E-mail:jhxia0156@sina.com 王健(1965—)，高級(jí)工程師，主要從事電子元器件和厚膜電路方面的研究。