一種四線制角位移傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉躍華， 劉軍威， 李 威， 韓志剛， 崔曉研

（北京青云航空儀表有限公司， 北京 101300）

0 引言

用于將被測(cè)量的輸入物理量轉(zhuǎn)化為互感變化量的傳感器稱為互感式傳感器，根據(jù)變壓器的基本原理制成，其具有無(wú)觸點(diǎn)、高靈敏度、高線性度、高可靠性、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。 伴隨飛機(jī)電傳系統(tǒng)（Fly-By-Wire，即FBW）的不斷發(fā)展升級(jí)，此類傳感器在軍用航空領(lǐng)域的飛控系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用， 其主要用于精確測(cè)量機(jī)上各類機(jī)構(gòu)的位置（或位移）信息，供上一級(jí)系統(tǒng)作位置判別和控制使用。

互感式傳感器系根據(jù)變壓器的基本原理制成， 次級(jí)繞組都采用差動(dòng)的形式連接，故稱差動(dòng)變壓器。此類傳感器中，變壓器初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈則互感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其中，旋轉(zhuǎn)差動(dòng)變壓器式傳感器（RVDT）用于敏感角度輸入轉(zhuǎn)化為電信號(hào)變化。

RVDT 有5 線制和4 線制，基于某型飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的研制需要，需研制一款耐溫度范圍寬、線性度好、4 線制的角位移傳感器，使用區(qū)間為±30°范圍內(nèi)，用于指示油門狀態(tài)角度信號(hào)。

1 工作原理

典型的RVDT 由定子組件和轉(zhuǎn)子組件組成。 其中定子組件包括定子鐵芯和繞組兩部分， 定子鐵芯由導(dǎo)磁性能好的軟磁材料沖片疊壓而成，在圓周上均勻分布4n 個(gè)凸極（n 為正整數(shù)），凸極上錯(cuò)位嵌有2n 個(gè)次級(jí)繞組線圈，相鄰的初或次級(jí)繞組的線圈繞線方向（或極性）相反，串聯(lián)在一起，轉(zhuǎn)子組件由軟磁材料沖片疊合而成，外圓表面均勻分布有2n 個(gè)凸極。 線性角度范圍與極對(duì)數(shù)相關(guān)，極對(duì)數(shù)越多，其線性角度范圍越小，依照系統(tǒng)需求，極對(duì)數(shù)設(shè)計(jì)為4 極，理論線性角度范圍為±45°，其可用的線性角度范圍可達(dá)±40°。

當(dāng)微動(dòng)同步器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)α 角時(shí)， 各定子極下的氣隙磁阻改變，從而使定子極內(nèi)磁通分配發(fā)生變化，引起定子單號(hào)極和雙號(hào)極之間存在差值磁通△Φ，與△Φ 相匝聯(lián)的輸出線圈產(chǎn)生互感電勢(shì)。 其原理詳述如下：

（1）當(dāng)α=0 時(shí)，即轉(zhuǎn)子處于零位置，見圖1，每一定子極同轉(zhuǎn)子極相耦合的極弧面積相等。 激磁繞組通交流電壓U1后，產(chǎn)生的交流電流I1流經(jīng)每個(gè)激磁線圈，因此各相同的激磁電流為每個(gè)定子極建立大小相等的激磁磁勢(shì)N1I1， 從而在各個(gè)定子極上產(chǎn)生工作氣隙δ 和轉(zhuǎn)子鐵芯的交變磁通Φ1=Φ2=Φ3=Φ4。 由于激磁線圈是相鄰反向地套在定子極上，故形成間隔著兩進(jìn)兩出的磁通分布。輸出繞組的每個(gè)線圈相對(duì)激磁線圈錯(cuò)開一個(gè)定子極， 使得每個(gè)輸出線圈所套兩個(gè)定子極內(nèi)的交變磁通大小相等，方向相反，差值磁通為零，因此每個(gè)輸出線圈的感應(yīng)電勢(shì)為零，輸出繞組總輸出電壓信號(hào)U2也為零。

圖1 4 線制RVDT 結(jié)構(gòu)圖

（2）當(dāng)α＞0 時(shí)，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α 角時(shí)， 定子單號(hào)極下的耦合極弧氣隙面積減小，氣隙磁阻增大；相反，定子雙號(hào)極下的耦合極弧氣隙面積增大，氣隙磁阻變小。此時(shí)穿過(guò)每個(gè)輸出線圈的合成交變磁通為所套兩級(jí)的方向相反、 大小不等的磁通的差值，且每個(gè)輸出線圈的差值交變磁通 相等。 據(jù)電磁感應(yīng)原理，輸出線圈中互感電動(dòng)勢(shì)的有效值均為：

兩個(gè)輸出繞組的互感電勢(shì)串聯(lián)相加從而產(chǎn)生輸出繞組總的空載輸出電壓信號(hào)U2。 當(dāng)轉(zhuǎn)角α 增大時(shí)，△Φ 增大，各輸出線圈中互感電勢(shì)增大，輸出電壓信號(hào)U2亦增加，所以，電壓信號(hào)U2的數(shù)值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角α 一同增大。輸出電壓U2的數(shù)值計(jì)算公式如下：

（3）當(dāng)α＜0 時(shí)，即轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α 角時(shí)，此時(shí)總輸出電壓U2的時(shí)間相位也較順轉(zhuǎn)時(shí)反180°， 輸出電壓U2的極性反映了轉(zhuǎn)角α 的方向。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 電磁設(shè)計(jì)參數(shù)確定

基于電磁原理和主機(jī)需求情況， 設(shè)定傳感器的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。指針座組件與轉(zhuǎn)子組件相固連， 并與機(jī)上輸入連桿相連， 隨機(jī)上輸入連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)定轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)位置的輸出電壓。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器實(shí)際使用安裝位置處振動(dòng)量值較高，為滿足其振動(dòng)量值大、 壽命較長(zhǎng)的要求，根據(jù)其載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選定轉(zhuǎn)子組件的支撐軸承，并采用墊圈進(jìn)行軸承預(yù)載的調(diào)整，適當(dāng)減小軸承游隙以提高軸承的軸向剛度。

定子組件與殼體組件通過(guò)沖點(diǎn)、 密封膠進(jìn)行緊固連接，使其固定在殼體上，限制其周向和軸向的運(yùn)動(dòng)，并滿足大振動(dòng)量值、強(qiáng)沖擊的需要，見圖3。

圖3 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

此外，在完成產(chǎn)品的裝調(diào)后，通過(guò)“工藝篩選”對(duì)初裝后的受試產(chǎn)品進(jìn)行零、組件的應(yīng)力時(shí)效及篩選，剔除裝配過(guò)程中由于零件未裝到位所帶入的“軸向假間隙”，時(shí)效穩(wěn)定產(chǎn)品的軸向剛度，使零、組件間的軸向配合達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3 密封性設(shè)計(jì)

為保證產(chǎn)品在濕熱、 霉菌和鹽霧等試驗(yàn)環(huán)境下輸出特性滿足要求， 研制過(guò)程中對(duì)于傳感器進(jìn)行密封性保護(hù)設(shè)計(jì)， 在傳感器的轉(zhuǎn)子軸與蓋子之間增加具有該高溫性能的硅橡膠密封墊圈，然后將蓋子同前蓋緊固在一起，從而有效防止鹽霧、濕熱、霉菌試驗(yàn)時(shí)的沉積液通過(guò)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)入殼體腔內(nèi)，對(duì)定轉(zhuǎn)子、軸承等造成損傷，見圖4。

圖4 傳感器前蓋處密封示意圖

此外，在殼體中與電纜的輸出孔處覆蓋堆積HM304 密封，以使殼體內(nèi)腔與外部相隔離， 從而隔離鹽霧、濕熱、霉菌試驗(yàn)時(shí)的沉積液沿電纜線進(jìn)入腔內(nèi)，影響傳感器性能。

2.4 耐高溫設(shè)計(jì)

產(chǎn)品所裝位置要求的環(huán)境溫度為-55℃～185℃，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于相關(guān)磁性材料、橡膠材料和漆層涂覆等的選取，均選用可耐該溫度范圍的材料中選取，以保障其寬溫的使用要求。

3 結(jié)果及分析

3.1 理論計(jì)算結(jié)果

依據(jù)表1 中設(shè)計(jì)參數(shù)及表2 中實(shí)測(cè)激磁消耗電流大小參照式（2）每隔5°分別計(jì)算傳感器-40°～+40°時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓U2的大小，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 實(shí)測(cè)激磁消耗電流

表3 理論輸出電壓U2

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

傳感器裝配完成后，每隔5°測(cè)試-40°～+40°區(qū)間內(nèi)各角度下所對(duì)應(yīng)的輸出電壓U2的大小，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 實(shí)際輸出電壓U’2

3.3 誤差計(jì)算及分析

傳感器理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖所示， 依據(jù)表3、表4 中傳感器的實(shí)測(cè)電壓值，按照式（3），計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)的誤差見表5。

表5 理論與實(shí)測(cè)誤差計(jì)算結(jié)果

式中：U2—理論輸出電壓值（V）；U’2——實(shí)測(cè)輸出電壓值（V）。

通過(guò)實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)， 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間存在一定偏差， 此與產(chǎn)品裝配過(guò)程中零組件加工誤差、形位誤差，以及定子組件與殼體組件間的HM304膠的使用存在一定關(guān)系，見圖5。

圖5 傳感器理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

獨(dú)立線性度為傳感器實(shí)際平均輸出特性曲線對(duì)最佳曲線的最大偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比來(lái)表示，而最佳直線則定義為傳感器跨程內(nèi)既相互最靠近又能相互包容傳感器實(shí)際輸出特性曲線的兩條平行線間的中位線。獨(dú)立線性度是衡量傳感器線性的最客觀標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已在國(guó)際上獲得廣泛應(yīng)用。 通常， 在傳感器的標(biāo)稱性能指標(biāo)中，如無(wú)特別說(shuō)明，所列線性度便一律指獨(dú)立線性度。 獨(dú)立線性度的計(jì)算公式為：

根據(jù)表4 中傳感器0～+30°的實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 參照式（4）可得傳感器的獨(dú)立線性度為±2.72%，同理，計(jì)算傳感器0～-30°的線性度為±2.81%，可滿足該系統(tǒng)使用環(huán)境下對(duì)于傳感器的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

基于變壓器原理的4 線制差動(dòng)角位移傳感器已完成設(shè)計(jì)及一些列驗(yàn)證工作。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用情況表明，該型產(chǎn)品性能穩(wěn)定，產(chǎn)品可靠，具有線性度好、抗振性佳、耐溫度范圍寬的特點(diǎn)，能夠滿足既定的使用要求，且具有重要的工程實(shí)用價(jià)值和良好的經(jīng)濟(jì)性。