小型高可靠分體式多冗余線(xiàn)位移傳感器研制

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(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076; 2.火箭軍駐長(zhǎng)控公司軍事代表室，北京 100076)

0 引言

隨著新型戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器的立項(xiàng)研制，要求伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，并能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境和有限的空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了滿(mǎn)足總體滾控伺服作動(dòng)器齒條位移的測(cè)量及反饋，需要將位移傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)信號(hào)引入伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)對(duì)配套使用的特種伺服位移傳感器提出新的更高要求：結(jié)構(gòu)更加小巧、精度更高、可靠性更高、環(huán)境適應(yīng)性更好、壽命更長(zhǎng)。

由于位移傳感器廣泛應(yīng)用于伺服作動(dòng)器位移測(cè)量與反饋，其可靠性直接影響伺服系統(tǒng)的性能及可靠性。隨著伺服系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品可靠性要求越來(lái)越高，為了滿(mǎn)足航天伺服產(chǎn)品的高可靠性和安全性的要求，在滾控伺服作動(dòng)器齒條位移的測(cè)量及反饋中，對(duì)位移傳感器在結(jié)構(gòu)空間和重量的提出了非常嚴(yán)格的限制，要求長(zhǎng)度方向在53 mm的空間里實(shí)現(xiàn)±22.5 mm位移的測(cè)量，安裝方式和外形要根據(jù)型號(hào)要求設(shè)計(jì)，并且產(chǎn)品總重量不能大于50 g，現(xiàn)有的線(xiàn)位移傳感器無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此需進(jìn)行小型多冗余分體式結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性的研究和試驗(yàn)已滿(mǎn)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求[1]。

1 分體式多冗余位移傳感器原理和結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

分體式多冗余線(xiàn)位移傳感器是電阻分壓原理，在電阻膜兩端分別施加正負(fù)直流電源，同時(shí)在零位位置設(shè)置中心抽頭(即電源地)[2]，電刷在電阻膜上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量正負(fù)位移的功能。正負(fù)電源和接地導(dǎo)線(xiàn)由鉚釘連接，鉚釘與電阻膜間由導(dǎo)電銀帶連接。為了提高可靠性，采用三冗余設(shè)計(jì)的同時(shí)，將三組正負(fù)電源及地端分別引出，輸出采用雙點(diǎn)雙線(xiàn)，工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 位移傳感器的工作原理圖

分體式多冗余線(xiàn)位移傳感器主要用于運(yùn)載和戰(zhàn)略型號(hào)伺服機(jī)構(gòu)信號(hào)測(cè)量和反饋，在外部供電的情況下將機(jī)械直線(xiàn)位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。分體式多冗余線(xiàn)位移傳感器并聯(lián)四冗余直線(xiàn)式電位計(jì)式線(xiàn)位移傳感器。位移傳感器骨架上的電阻膜印制導(dǎo)電塑料而制成[3]。導(dǎo)電條與電阻膜同樣是利用導(dǎo)電塑料平行印制印在骨架上，用于輸出信號(hào)的引出。在電阻膜兩端分別施加正負(fù)直流電源，同時(shí)在電阻膜的中心位置設(shè)置零位中心抽頭(即電源地)，電刷在電阻膜上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量直線(xiàn)位移信號(hào)。正負(fù)輸入電源和接地導(dǎo)線(xiàn)由鉚釘鉚接。為了提高產(chǎn)品的可靠性和適應(yīng)系統(tǒng)表決功能，采用四冗余設(shè)計(jì)方案，將四組正負(fù)電源及地端分別引出，輸出采用雙點(diǎn)雙線(xiàn)。并聯(lián)四冗余線(xiàn)位移傳感器結(jié)構(gòu)上采用四冗余設(shè)計(jì)，將兩個(gè)印制有電阻膜和導(dǎo)電條的骨架在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分體式設(shè)計(jì)，每?jī)蓚€(gè)通道在一個(gè)骨架上。功能上實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)的緊湊型、分體式四冗余線(xiàn)位移傳感器，并最終實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)線(xiàn)位移的測(cè)量和反饋功能。

設(shè)總電阻為2R，行程±S，電源±V，帶中心抽頭(地)，電刷從零位向左滑動(dòng)距離a，與地間電阻為R1，全行程范圍電阻與線(xiàn)位移成線(xiàn)性關(guān)系。由分壓原理知，輸出V01[4]為[3]：

同樣地，電刷從零位向左滑動(dòng)距離b時(shí)，與地間電阻為R2，輸出V02為：

在電源電壓恒定的情況下，輸出電壓與電刷滑動(dòng)的距離成正比。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

分體式多冗余線(xiàn)位移傳感器主要由上電阻組件，下電阻組件，上刷握組件，下刷握組件組成如圖2所示。實(shí)現(xiàn)了四個(gè)通道電氣相互獨(dú)立的電位計(jì)結(jié)構(gòu)。分體式位移傳感器采用四冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇不同的通道，或者四個(gè)通道同時(shí)使用。每個(gè)通道均含一個(gè)直線(xiàn)式印制精密導(dǎo)電塑料式電位計(jì)[5]。上電阻組件和下電阻組件主要由印制電阻膜和導(dǎo)電條和骨架組成，上刷握組件和下刷握組件都是主要由刷握，導(dǎo)電片，電刷組成。與以往的分體式線(xiàn)位移傳感器相比實(shí)現(xiàn)多冗余設(shè)計(jì)，電阻膜采用印制導(dǎo)電塑料比噴膜式電阻膜更加耐磨，壽命長(zhǎng)[6]，精度高。多冗余分體式位移傳感器的刷握采用了對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)、裝配過(guò)程的容錯(cuò)率。

圖2 分體式線(xiàn)位移傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 分體多冗余位移傳感器關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 分體式四冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

一種小型新型分體式、多冗余線(xiàn)位移傳感器由兩個(gè)雙冗余分體直線(xiàn)式位移傳感器相對(duì)安裝(最大可實(shí)現(xiàn)四冗余)，主要由電阻組件和刷握組件組成[7]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電阻組件安裝于滾控作動(dòng)器殼體上下兩側(cè)中間部位，電阻組件由骨架、電阻體和導(dǎo)電條組成。電阻體由導(dǎo)電液印制在聚酰亞胺層壓板做成的骨架上，經(jīng)多次干燥和聚合等工序，制成電阻體。導(dǎo)電條是為引出信號(hào)而專(zhuān)門(mén)設(shè)立的，為避免使用運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線(xiàn)來(lái)引出信號(hào)，在電阻體旁印制一層銀帶，電位計(jì)的電刷橫跨電阻體和導(dǎo)電條，將電壓信號(hào)引到導(dǎo)電條上，然后，通過(guò)兩端的金屬化孔焊線(xiàn)引出。

刷握組件由刷握、導(dǎo)電片和電刷絲組成，電位計(jì)的刷握組件安裝在伺服作動(dòng)器柱塞的齒條上，與柱塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全一致。刷握組件的作用為支承電刷，電刷用來(lái)拾取與齒條位移成比例的電壓，它耐磨且富有彈性，在受振動(dòng)、沖擊的情況下，能可靠地工作。鈹青銅導(dǎo)電片上焊有電刷絲，通過(guò)螺釘固定在刷握上。柱塞通過(guò)刷握組件帶動(dòng)電刷相對(duì)于殼體直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾控柱塞的直線(xiàn)位移量測(cè)量。

2.2 耐高溫高精度技術(shù)實(shí)現(xiàn)

一種小型新型分體式、多冗余線(xiàn)位移傳感器的電壓拾取是通過(guò)電刷組件在電阻組件上平行滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，本傳感器的 電阻組件由骨架、電阻體和導(dǎo)電條組成，其中電阻體和導(dǎo)電條同時(shí)印制在骨架上，電阻體由高溫導(dǎo)電塑料制成。電阻體的長(zhǎng)度即為傳感器的電氣行程。 骨架材料選用了XXX科技有限公司生產(chǎn)的剛性熱固性聚酰亞胺板D764X(Q/XXXXX/41-2012)。聚酰亞胺是一種新型的芳雜環(huán)高聚物，它具有優(yōu)異的機(jī)械、介電、耐磨、耐高低溫、耐輻射等綜合性能，供貨渠道可靠、穩(wěn)定。導(dǎo)電條與電阻膜同時(shí)印制在剛性熱固性聚酰亞胺板D764X上。導(dǎo)電條是為引出信號(hào)而專(zhuān)門(mén)設(shè)立的，從而避免了使用運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線(xiàn)來(lái)引出信號(hào)。傳感器的電刷橫跨電阻體和導(dǎo)電條，將電壓信號(hào)引到導(dǎo)電條上，然后，通過(guò)與之相連的導(dǎo)線(xiàn)引出。

采用高溫高精度導(dǎo)電塑料傳感器技術(shù)與傳統(tǒng)的的噴膜式傳感器設(shè)計(jì)相比，具有耐高溫(短時(shí)可以達(dá)到200℃，能夠在工作環(huán)境溫度為150℃情況下正常工作，溫漂小于50 mV)、高壽命，線(xiàn)性度高(初始線(xiàn)性度即可滿(mǎn)足要求小于1%)、工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

2.3 結(jié)構(gòu)緊湊零位輸出可調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

分體式多冗余位移傳感器配合滾控伺服作動(dòng)器的工作方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了一種新穎便捷的零位微調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)方案，攻克了分體多冗余位移傳感器零位調(diào)節(jié)的難題，保證零位不重合度不大于20 mV；滿(mǎn)足系統(tǒng)零位輸出一致性要求，提高測(cè)量和反饋的精度，減化整機(jī)系統(tǒng)軟件補(bǔ)償工作[9]。

多冗余分體式位移傳感器因其分體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必然存在各自獨(dú)立輸出的傳感器零位重合性差問(wèn)題，傳感器各通道零位電壓輸出測(cè)量值偏差在200 mV左右(伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)零位電壓輸出偏差范圍是不大于20 mV)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的零位微調(diào)節(jié)裝置，將導(dǎo)電片和刷握的安裝孔設(shè)計(jì)成腰形孔，在工裝上將刷握固定，通過(guò)電刷組件的前后微調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電刷零位輸出的一致性，來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)零位輸出電壓的性能指標(biāo)值。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的的導(dǎo)電片的結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

圖3 導(dǎo)電片(改進(jìn)前) 圖4 導(dǎo)電片(改進(jìn)后)

改進(jìn)后的電刷零位安裝結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行零位微調(diào)節(jié)試驗(yàn)。在給傳感器加電壓后，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)電片的前后位置，改變零位的輸出電壓，直到在20 mV之內(nèi),改進(jìn)后零位輸出電壓可以實(shí)現(xiàn)2.76 mV輸出。

2.4 電刷優(yōu)化設(shè)計(jì)

電刷組件由電刷、刷握等組成，刷握安裝在伺服作動(dòng)器齒條上，用以支承電刷，電刷用來(lái)拾取與齒條位移成比例的電壓，它應(yīng)耐磨，富有彈性，在受振動(dòng)、沖擊的情況下，應(yīng)能可靠地工作。采用多指型電刷絲提高電刷的可靠性[5]，在根部采用無(wú)鉛焊錫焊接，電刷結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電刷結(jié)構(gòu)圖

為了計(jì)算電刷的接觸壓力，電刷的彈性變形量取為1 mm，電刷材料的彈性模量153000 N/mm2，材料為PdIr18合金絲，電刷絲直徑0.2 mm)，理論計(jì)算的電刷的接觸壓力為0.0458 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值0.1 N的設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

電刷接觸壓力是影響電位計(jì)使用壽命的關(guān)鍵因素，在電刷材料的彈性模量固定的前提下，通過(guò)最佳電刷壓縮量計(jì)算(即在保證電刷與膜面接觸可靠性又要減少電刷對(duì)導(dǎo)電塑料電阻膜的磨損的前提下的最佳接觸壓力設(shè)計(jì))后[10]，優(yōu)化電刷的剛度以及刷絲的壓縮量。但是，電刷組件的實(shí)際受力和約束狀況比較復(fù)雜，不能用懸臂梁彎曲狀態(tài)進(jìn)行近似，因此利用Ansys11.0軟件進(jìn)行整體受力分析，電刷組件受力情況如圖6所示。

圖6 電刷組件受力情況示意圖

在A處電刷組件安裝孔位置受固定約束，在B處受Z軸方向上的位移約束，在C處即電刷與電阻片接觸的地方受沿Z軸方向上0.15 N的力。

如圖7和圖8所示，電刷與電阻片接觸點(diǎn)在Z軸方向上的位移為1.8 mm，在電刷下端的彎折處內(nèi)應(yīng)力最大，為684 MPa，小于鈀銥合金絲的抗拉強(qiáng)度905 MPa。因此，當(dāng)電刷與電阻片接觸點(diǎn)沿Z軸方向位動(dòng)1.8 mm時(shí)，其接觸壓力為0.15 N，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 電刷在Z軸方向的位移圖

圖8 電刷內(nèi)應(yīng)力圖

為了解決滾控線(xiàn)位移特性測(cè)量過(guò)程中都出現(xiàn)了零位電壓輸出滯后的現(xiàn)象，零位電壓輸出滯后直接影響伺服系統(tǒng)中影響伺服系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。系統(tǒng)作動(dòng)器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像記載如圖9所示。

圖9 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電刷示意圖

通過(guò)分析此問(wèn)題主要是由于電刷絲的寬度過(guò)寬造成了電刷絲在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中和中心抽頭相碰，造成了電刷絲的劈開(kāi)，從而使傳感器在零位附近輸出異常，針對(duì)這種現(xiàn)象對(duì)電刷進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)電阻膜的寬度和公差的范圍的計(jì)算分析如下， 電阻膜印制在骨架上，如圖2中的電阻組件上，電阻膜的寬度為5，-0.18的公差，兩個(gè)中心抽頭深入電阻膜的長(zhǎng)度分別為1 mm，由操作者老保證，無(wú)法給出具體的公差范圍。

電刷的寬度尺寸為2，公差無(wú)法給出，由焊接工裝來(lái)保證，單邊的設(shè)計(jì)余量為：

(5-1-1-2)/2=0.5

優(yōu)化設(shè)計(jì)后電刷的寬度尺寸為1.4，由以前的10根絲變成了7根絲，電刷寬度由2 mm變成1.4 mm。單邊的設(shè)計(jì)余量為：

(5-1-1-1.4)/2=0.8

改進(jìn)電刷后的優(yōu)化設(shè)計(jì)滾控線(xiàn)位移特性曲線(xiàn)如圖10所示，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)滾控位移特性性能明顯提高，改善了伺服系統(tǒng)的輸出性能，有助于戰(zhàn)略型號(hào)的可靠性提高。

圖10 滾空線(xiàn)位移特性圖像(散絲-無(wú)散絲)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

多冗余分體式線(xiàn)位移傳感器在傳統(tǒng)式的分體式線(xiàn)位移傳感器的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)四冗余可靠性結(jié)構(gòu)，采用印制導(dǎo)電塑料式電阻膜[11]，主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

表1 分體式多冗余位移傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：導(dǎo)電塑料電阻膜線(xiàn)性度可以實(shí)現(xiàn)0.09～0.89范圍內(nèi)大部主要集中在0.09～0.50的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的噴膜式電阻膜的線(xiàn)性度，且導(dǎo)電塑料分體式線(xiàn)位移傳感器高溫可以達(dá)到200℃，在150℃高溫環(huán)境下可以正常工作，同時(shí)傳感器的溫漂小于50 mV[6]，其耐高溫性能提高。通過(guò)靈位可調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零位輸出電壓小于20 mV，零位輸出電壓可控可調(diào)大大提高了系統(tǒng)可靠性，多指型點(diǎn)數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，提高了傳感器的壽命，其他性能指標(biāo)均滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

小型高可靠分體式多冗余位移傳感器研制是由于傳統(tǒng)的分體式電位計(jì)難以滿(mǎn)足新型運(yùn)載和戰(zhàn)略型號(hào)的發(fā)展需求，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)用于伺服系統(tǒng)的配套測(cè)量和反饋。小型高可靠分體式多冗余位移傳感器采用了四冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，印制導(dǎo)電塑料電阻膜，新型零位可調(diào)設(shè)計(jì)，優(yōu)化電刷設(shè)計(jì)提高線(xiàn)位移傳感器的可靠性，耐高溫性，高精度性，試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的有效性。對(duì)伺服系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性大幅提高，對(duì)戰(zhàn)略系統(tǒng)的可靠性和實(shí)現(xiàn)全方位發(fā)射具有重要意義，從而具有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁希光．傳感器技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986．

[2] 劉迎春, 葉湘濱，現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用[D].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[3] 南京航空學(xué)院,北京航空學(xué)院合編,傳感器原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1980.

[4] 欒桂冬,張金鐸,金歡陽(yáng).傳感器及其應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[5] 李丹佳，陳 娣，郭薇妮，等.超小型高可靠三冗余角位移傳感器研制[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2015 (2) :1-5.

[6] 郭薇妮，李夢(mèng)雪，李丹佳.一種改進(jìn)型導(dǎo)電塑料電位計(jì)研制[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)， 2016 , 36 (1) :52-56.

[7] 楊明錦,陸長(zhǎng)征.結(jié)構(gòu)型與復(fù)合型導(dǎo)電塑料研究進(jìn)展[J] .塑料，2005 , 34 (3) :15-18.

[8] 劉艷麗,井元良,石海平,等. 導(dǎo)電塑料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用展望[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 31 (6) :676-681.

[9] 陳 勇,官建國(guó),謝洪泉.導(dǎo)電塑料的研究進(jìn)展[J].彈性體， 2008 , 18 (2) :75-81.

[10] 石明輝.導(dǎo)電塑料在電子領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].廣東化工，2007,34(169):43-45.

[11] 李振宇，薛 閔，等.導(dǎo)電塑料的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展[J].塑料科技，2013 , 41 (2) :96-101.