基于Maxwell環(huán)境的LVDT傳感器仿真設(shè)計(jì)

摘要：LVDT（Liner Variable Differential Transformer）傳感器是一種差動(dòng)變壓器式傳感器，用于將機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、輸出精度高、線性度好等顯著特點(diǎn)。現(xiàn)以Maxwell為基礎(chǔ)，分析LVDT傳感器電磁性能仿真過(guò)程，以提高LVDT傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：LVDT;電磁性能;仿真設(shè)計(jì)

0? ? 引言

隨著5G時(shí)代到來(lái)，航空航天領(lǐng)域信息化、自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高，LVDT傳感器也憑借其靈敏度高、線性度好、分辨率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用。LVDT傳感器主要由線圈架、鐵芯、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈以及閉磁筒等零部件組成。受磁性材料、線圈繞制等因素影響，“計(jì)算—試制—測(cè)試—重新計(jì)算—再試制—再測(cè)試”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式已無(wú)法滿足產(chǎn)品迭代更新和高質(zhì)量要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了推廣使用，利用Ansys系統(tǒng)中Maxwell模塊進(jìn)行傳感器線圈電磁性能仿真計(jì)算，可提高工作效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1? ? LVDT工作原理

LVDT傳感器采用差動(dòng)變壓器原理設(shè)計(jì)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。如圖1所示，差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)由1個(gè)初級(jí)線圈、2個(gè)次級(jí)線圈及鐵芯組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)在初級(jí)線圈施加激勵(lì)交流電壓Ui時(shí)，次級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，將2個(gè)次級(jí)線圈反極性串接，由于2個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓U1、U2相位相反，將二者疊加后，在兩個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生電位差U0。當(dāng)鐵芯處于中心位置時(shí)，U1=U2，疊加后的輸出電位U0=0;而當(dāng)鐵芯隨被測(cè)物移動(dòng)產(chǎn)生位移時(shí)，U0產(chǎn)生變化。在一定的范圍內(nèi)，U0的大小與鐵芯距離中心對(duì)稱(chēng)位置的位移量成正比，該區(qū)間為傳感器的有效行程工作區(qū)間。據(jù)此，通過(guò)檢測(cè)U0輸出值的大小，便可得知鐵芯位移變化量。

2? ? 傳感器輸出特性計(jì)算

LVDT傳感器電氣原理圖如圖1所示，為了便于分析計(jì)算，將線位移傳感器看作是一個(gè)理想變壓器，忽略鐵損、耦合電容和渦流損耗對(duì)傳感器性能的影響。當(dāng)次級(jí)線圈開(kāi)路時(shí)，初級(jí)線圈的電流為：

U0的值反映傳感器鐵芯的位移量x，但其大小受輸入量i的影響，當(dāng)i受到干擾或由于其他原因產(chǎn)生變化及波動(dòng)時(shí)，U0值的變化就不再準(zhǔn)確反映鐵芯位移量的變化，故實(shí)際應(yīng)用中常使用d=來(lái)反映傳感器鐵芯的位移量。

3? ? 電磁性能仿真計(jì)算

Ansoft Maxwell作為著名的商用低頻電磁場(chǎng)有限元軟件之一，在各工程電磁領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用;它在保證計(jì)算準(zhǔn)確性和快捷性的前提下，能夠分析靜態(tài)及瞬態(tài)磁場(chǎng)，較好地滿足了LVDT的建模、仿真計(jì)算要求。

3.1? ? LVDT建模

以電氣行程為±7 mm、LVDT增益值為±0.5、輸出線性度為±0.5%FS技術(shù)條件要求的產(chǎn)品為例進(jìn)行建模分析。由于鐵芯是圓柱體結(jié)構(gòu)，初級(jí)線圈、次級(jí)線圈均為環(huán)形繞組，利用Maxwell 2D建模（圖2），忽略外殼及線圈架等非導(dǎo)磁材對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響。對(duì)線圈架、鐵芯、閉磁筒等金屬材料賦予相應(yīng)的材料屬性，確定線圈架等結(jié)構(gòu)尺寸后，對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定初級(jí)線圈匝數(shù)為2 400匝，次級(jí)線圈匝數(shù)為1 500匝，鐵芯直徑為3 mm，長(zhǎng)度為26 mm，導(dǎo)入外部電路，設(shè)置激勵(lì)電壓及電阻等參數(shù)，確定運(yùn)動(dòng)部件參數(shù)，定義為線性運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為-7 mm至7 mm，每隔1 mm求解一次進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2? ? 仿真分析

LVDT輸出增益、精度等參數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)受次級(jí)線圈感應(yīng)電壓值影響，可通過(guò)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)、匝數(shù)以及鐵芯長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整次級(jí)線圈感應(yīng)電壓值。根據(jù)次級(jí)線圈電壓值計(jì)算LVDT增益值（圖3），并對(duì)增益值按最小二乘法進(jìn)行線性擬合（圖4），計(jì)算各整數(shù)點(diǎn)精度均滿足±0.5%FS（表1），通過(guò)線性擬合可得LVDT靈敏度為0.071 4 V/mm，非線性度誤差為0.22%FS，精度為0.25%FS，符合LVDT參數(shù)要求。

4? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)該仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，按仿真確定LVDT鐵芯、線圈架、閉磁筒等零件參數(shù)加工機(jī)械零件，再按初級(jí)線圈、次級(jí)線圈參數(shù)要求加工制作LVDT，并在水平測(cè)長(zhǎng)儀上進(jìn)行測(cè)試，初級(jí)線圈接通3 V、3 kHz正弦波信號(hào)，通過(guò)伺服電機(jī)移動(dòng)鐵芯位置，測(cè)量次級(jí)線圈輸出電壓U1、U2，通過(guò)電壓值計(jì)算LVDT輸出增益，并與仿真值進(jìn)行比較（表2），可知仿真結(jié)果與實(shí)際加工產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果差異不大，均滿足LVDT技術(shù)調(diào)點(diǎn)要求。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

利用Ansoft Maxwell進(jìn)行仿真計(jì)算，打破了“計(jì)算—試制—測(cè)試—重新計(jì)算—再試制—再測(cè)試”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，且LVDT產(chǎn)品輸出精度、線性度等得到了有效提高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定性得到了改善。

本文對(duì)LVDT利用Maxwell進(jìn)行仿真工作進(jìn)行了研究，通過(guò)仿真工作可縮短LVDT研制周期、降低生產(chǎn)成本、滿足交付進(jìn)度要求，并可快速有效地判斷LVDT輸出精度、增益值、線性度是否滿足技術(shù)參數(shù)要求，為傳感器系列化發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

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收稿日期：2020-03-18

作者簡(jiǎn)介：鄧小雄（1983—），男，湖南郴州人，工程師，研究方向：LVDT產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。