懸浮式磁性液體球差動(dòng)變壓器式位移傳感器

陸招蘭，王坤東，馬有為，鐘國(guó)宸

(1.三明學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建三明 365004；2.上海交通大學(xué)儀器工程系，上海 200240)

0 引言

差動(dòng)變壓器式位移傳感器是利用磁場(chǎng)的對(duì)稱性，導(dǎo)磁鐵芯在偏離中心位置后引起的感應(yīng)電壓差來敏感位移。在檢測(cè)環(huán)節(jié)，使用反向差動(dòng)連接的線圈得到差動(dòng)信號(hào)，從而有效消除了共模信號(hào)，因此差動(dòng)變壓器在精密位移測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，是一種技術(shù)非常成熟的產(chǎn)品。為了獲得高精度，一般鐵芯兩端都有支撐和較大預(yù)緊力，在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中，會(huì)引起鐵芯的磨損，降低精度。在一些中高頻的測(cè)量場(chǎng)合，鐵芯的質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)對(duì)象動(dòng)力學(xué)參數(shù)與特性，使得控制系統(tǒng)變得復(fù)雜。另外，鐵芯在使用時(shí)自身會(huì)被磁化，剩磁的存在會(huì)影響輸出的靈敏度，存在一定的死區(qū)。綜合以上，尋找一種新型的導(dǎo)磁材料作為鐵芯對(duì)于提高傳統(tǒng)的差動(dòng)變壓器位移傳感器的使用壽命、精度和對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的低侵襲性具有十分重要的意義。

為了解決上述問題，本文提出了利用磁性液體代替鐵芯來構(gòu)建差動(dòng)變壓器位移傳感器。磁性液體是一種功能材料，由納米磁性顆粒在表面活性劑包覆下穩(wěn)定地懸浮在載液中形成，兼有超順磁性和流體的流動(dòng)性，目前在多種新型傳感器中有所應(yīng)用[1-3]。本傳感器中磁性液體被封裝在PLA材料制作的具有空腔的球中，整體密度接近于水。充滿磁性液體的PLA球置入圓管，圓管中充滿水，PLA球懸浮其中。管的外部繞制激勵(lì)線圈和差動(dòng)探測(cè)線圈。當(dāng)磁性PLA小球發(fā)生位移時(shí)，磁性液滴的移動(dòng)引起感應(yīng)線圈產(chǎn)生差動(dòng)輸出。與現(xiàn)有差動(dòng)變壓器位移傳感器比較，磁性液體位移傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)磁性液體液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)無機(jī)械摩擦，磨損幾乎不存在，可長(zhǎng)時(shí)間保持較高精度；

(2)磁性液體液滴被包裹后懸浮在水中，可很好地抵抗外界干擾，如振動(dòng)、溫度變化和電磁信號(hào)干擾等；

(3)磁性液體具有超順磁性，沒有剩磁，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)[4-6]。

本文設(shè)計(jì)了一套磁性液體式位移傳感器方案，并設(shè)計(jì)了測(cè)試電路。使用自行設(shè)計(jì)和開發(fā)的傳感器及其測(cè)試電路測(cè)試驗(yàn)證。

1 傳感原理

磁流體差動(dòng)位移傳感器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括磁性液體、雙層球殼、連接桿、密封圈、筒體、激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈。磁性液體采用Fe3O4磁載子，基液為潤(rùn)滑油，整體密度為1.2 g/mm3。雙層球殼采用PLA材料打印，密度為0.82 g/mm3。磁性液體封裝在雙層球殼內(nèi)，通過設(shè)計(jì)雙層球殼的空腔使得封裝磁性液體后的球體整體密度接近于水的密度，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 磁性液體式差動(dòng)變壓器位移傳感器

圖2 磁性液體球殼示意圖

在筒體內(nèi)注水，球體在筒體內(nèi)懸浮在水中，一根貫通球殼的連接桿來帶動(dòng)磁性液體球的移動(dòng)。線圈分為兩層，外部為激勵(lì)線圈，內(nèi)部為感應(yīng)線圈。感應(yīng)線圈是2個(gè)對(duì)稱的次級(jí)線圈，在激勵(lì)線圈中引入勵(lì)磁信號(hào)，磁性液體球由于受到梯度磁場(chǎng)力的作用而向梯度最小的地方移動(dòng)，即勵(lì)磁線圈的中心位置。此梯度磁場(chǎng)力類似于磁性彈簧，對(duì)磁性液體球來說具有自動(dòng)維持功能，當(dāng)磁性液體球偏離中心位置時(shí)，梯度磁場(chǎng)力會(huì)將其拉回到中心位置。當(dāng)磁性液體球在中心位置時(shí)，傳感器產(chǎn)生的差動(dòng)輸出電壓為0，當(dāng)液體在一定范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，傳感器的輸出電壓隨液滴位移線性改變。如果以適當(dāng)?shù)姆椒y(cè)量差動(dòng)輸出電壓，就可以得到與位移成比例的模擬電壓信號(hào)。

以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)活動(dòng)磁性液體球及連接桿工作在水中，幾乎沒有磨損；

(2)磁性液體球懸浮在水中，質(zhì)量小，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)影響??；

(3)使用無形的磁力彈簧來復(fù)位，無機(jī)械飽和。

2 工作特性方程與測(cè)量電路

為了降低分析的復(fù)雜性，假設(shè)磁性液體不可壓縮，并工作在相對(duì)穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不會(huì)使磁性液體磁化。激勵(lì)磁場(chǎng)通過纏繞在螺線管上的線圈產(chǎn)生，當(dāng)給激勵(lì)線圈通以交變電流時(shí)，感應(yīng)線圈則產(chǎn)生差動(dòng)的感應(yīng)電壓?？紤]到傳感器主要是用來測(cè)量位移，因此在頻率為ω的交流激勵(lì)電流i的作用下，耦合得到2個(gè)差動(dòng)線圈的電壓信號(hào)為

u=jω[M1(z)-M2(z)]·i

(1)

式中M1(z)與M2(z)分別為2個(gè)勵(lì)磁線圈與2個(gè)檢測(cè)線圈的互感系數(shù)，其大小與位移唯一相關(guān)。

通過該傳感器測(cè)位移時(shí)，根據(jù)得到的電壓值經(jīng)過標(biāo)定后即可得到對(duì)應(yīng)的位移z，從而進(jìn)行數(shù)值讀取[7]。測(cè)量電路如圖3所示。由于產(chǎn)生的差動(dòng)電壓輸出存在極性，在正向和反向產(chǎn)生的電壓差在相位上相差180°，這里利用相敏檢波電路來測(cè)量極性。

圖3 檢測(cè)電路原理框圖

3 傳感器樣機(jī)及測(cè)試

3.1 傳感器

按圖1所示構(gòu)建磁性液體位移傳感器，測(cè)量相關(guān)的指標(biāo)如下：飽和磁化強(qiáng)度為400 GS，密度為1.2 g/mL，表面張力為2.9 μN(yùn)·m，環(huán)境溫度為27 ℃時(shí)黏度為6 mPa·s，水中溶解度可忽略，表觀為黑色液體[5]。在常溫下，將其注入到球殼后插入連接桿后密封，然后裝入充滿水的線圈中，如圖4所示。為防止水中的雜質(zhì)對(duì)磁性液體材料的影響，使用去離子工業(yè)純凈水。使用線徑0.2 mm的漆包線繞制勵(lì)磁線圈和檢測(cè)線圈。勵(lì)磁線圈和檢測(cè)線圈的參數(shù)如表1所示。由于輸出為差動(dòng)模式，故在制作檢測(cè)線圈時(shí)，需保證2組線圈各項(xiàng)性能參數(shù)的一致性，感應(yīng)線圈參數(shù)為一個(gè)感應(yīng)線圈的參數(shù)。

圖4 傳感器樣機(jī)

表1 線圈參數(shù)

3.2 測(cè)試電路

完成的激勵(lì)檢測(cè)電路及顯示原型樣機(jī)如圖5所示。采用AD9833芯片作為波形發(fā)生器，采用AD630芯片構(gòu)建相敏檢波模塊，STM32單片機(jī)來進(jìn)行控制和檢測(cè)，結(jié)果顯示在LCD屏幕上。

圖5 檢測(cè)電路及面板原型樣機(jī)

測(cè)試中信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為200 mV的正弦波信號(hào)，頻率為8 kHz，經(jīng)功率放大后輸入激勵(lì)線圈。使用機(jī)械式螺旋測(cè)微儀驅(qū)動(dòng)本傳感器的連接桿，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。感應(yīng)線圈輸出差動(dòng)電壓經(jīng)放大后輸入相敏檢波模塊，然后經(jīng)低通濾波，利用單片機(jī)的ADC功能來檢測(cè)信號(hào)，標(biāo)定及測(cè)試系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 測(cè)試場(chǎng)景圖

圖7 去程回程回路測(cè)量

測(cè)試時(shí)，激勵(lì)使用幅值為0.2 V頻率為6 kHz的正弦波，線圈輸出經(jīng)約680倍放大后，測(cè)量中心點(diǎn)附近10 mm的輸出，其中在中心點(diǎn)附近采集數(shù)據(jù)較密集，共測(cè)得3組數(shù)據(jù)，如圖7所示。其中第1、2組為去程，第3組為回程。

從圖7中可以看出，3組數(shù)據(jù)在線性區(qū)域基本重合，在非線性區(qū)域不重合，表明該傳感器在線性區(qū)域具有一定重復(fù)精度與較低的回差(最大在4 mV左右)。由于在邊緣區(qū)域曲線線性度降低，故取圖7中位移在3～8 mm內(nèi)的輸出進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看到傳感器在0～8 000 μm范圍內(nèi)線性度很好，傳感器靈敏度約為675 μV/μm。取圖8中3組測(cè)量數(shù)據(jù)在此范圍內(nèi)進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線為

VRMS=3 340.28-0.68d

式中：VRMS為輸出電壓有效值，mV；d為位移，μm。

圖8 測(cè)量結(jié)果直線擬合

從上述測(cè)量結(jié)果可以得到，傳感器標(biāo)度系數(shù)為1.48 μm/mV，具有較高的靈敏度。但在零點(diǎn)附近回程誤差較大，是由于差動(dòng)運(yùn)算放大器本身的直流偏置輸出引起的，約為9 mV，約為滿量程的3‰。

4 結(jié)束語

本文首先分析了傳統(tǒng)差動(dòng)變壓器式位移傳感器存在的缺陷，然后介紹了磁性液體的一些特性，提出了利用磁性液滴球代替鐵芯實(shí)現(xiàn)位移傳感器的思路，并分析了位移與差動(dòng)電壓輸出的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了測(cè)量方案，完成了傳感器的測(cè)試平臺(tái)和信號(hào)處理電路。然后進(jìn)行了初步的測(cè)試，結(jié)果表明，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)位移傳感器的功能，且具備較高的靈敏度，證明磁性液體具備代替鐵芯制作差動(dòng)變壓器式位移傳感器的能力。但是使用磁性液滴球也存在零點(diǎn)殘余電壓的問題，這是該傳感器需要下一步解決的問題。