雙邊雙結(jié)構(gòu)的感應(yīng)式位移傳感器

李建文, 于稟龍, 朱 衛(wèi), 劉 娜

(1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384;2.蘇州海之博電子科技有限公司, 江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

在新能源電動(dòng)車(chē)?yán)?感應(yīng)式直線(xiàn)傳感器被用在電子剎車(chē)助力器中,來(lái)識(shí)別腳踏板移動(dòng)距離。目前應(yīng)用較多的直線(xiàn)傳感器有光電式[1,2]、磁場(chǎng)式[3～5]、電容式[6～8]等幾類(lèi)。由于光電式在一些高精度、集成化高的場(chǎng)所中,受工藝限制,同時(shí)環(huán)境中的灰塵也會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；電容式傳感器會(huì)因?yàn)闀r(shí)效性,使測(cè)量反應(yīng)不及時(shí)而受限；而電磁式傳感器更適合環(huán)境復(fù)雜、測(cè)量時(shí)效性強(qiáng)的領(lǐng)域,因此更加被優(yōu)先使用[9,10]。例如:2014年，李志鵬等人提出的非接觸式位置傳感器的電磁感應(yīng)原理及激勵(lì)線(xiàn)圈對(duì)感應(yīng)線(xiàn)圈在不同位置有對(duì)應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生[11]；2017年，魯進(jìn)等人提出的時(shí)變磁場(chǎng)的位移測(cè)量方法,對(duì)其激勵(lì)線(xiàn)圈的激勵(lì)方式和布線(xiàn)方式進(jìn)行位移測(cè)量[12]；2020年，谷星瑩等人提出的雙邊式的感應(yīng)結(jié)構(gòu),降低了測(cè)量的誤差率,提高信號(hào)質(zhì)量[13]；2015年，那少聃等人對(duì)汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)角度傳感器的測(cè)量特性,將游標(biāo)原理的處理算法運(yùn)用其中,從而測(cè)量汽車(chē)轉(zhuǎn)向的角度信號(hào)[14]。

在內(nèi)置感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)式傳感器中,針對(duì)有效量程受限的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器模型,利用該結(jié)構(gòu)將感應(yīng)的2種信號(hào)相位進(jìn)行改進(jìn),降低了信號(hào)相位的偏差性,進(jìn)而增加了有效量程比。通過(guò)Ansoft Maxwell仿真,將2種傳感器的感應(yīng)信號(hào)對(duì)比,證明雙邊雙結(jié)構(gòu)的模型在相位對(duì)應(yīng)上更加穩(wěn)定；同時(shí)驗(yàn)證了2個(gè)激勵(lì)信號(hào)相位差在90°時(shí),感應(yīng)信號(hào)幅值更加明顯。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文所述的雙邊雙結(jié)構(gòu)感應(yīng)式傳感器是由激勵(lì)線(xiàn)圈的定尺和感應(yīng)線(xiàn)圈的動(dòng)尺組成,如圖1所示。

圖1 直線(xiàn)位移傳感器結(jié)構(gòu)示意

其中，在定尺上輸入2種有相位差的激勵(lì)電流,及正弦信號(hào)和余弦信號(hào)從圖1(a)中左側(cè)信號(hào)輸入端分別輸入,右側(cè)輸出。由圖1(b)和圖1(c)動(dòng)尺從定尺上下兩邊的一定水平高度滑動(dòng),則每組感應(yīng)線(xiàn)圈同時(shí)感應(yīng)到不同的感應(yīng)信號(hào)。其中，傳感器動(dòng)尺的2組感應(yīng)線(xiàn)圈設(shè)計(jì),保證了2種信號(hào)的穩(wěn)定輸出,增加了設(shè)備使用的兼容性。圖1(a)中動(dòng)尺線(xiàn)圈呈周期性分布,其結(jié)構(gòu)尺寸與定尺感應(yīng)線(xiàn)圈尺寸呈一定關(guān)系,其中，一個(gè)周期的物理長(zhǎng)度為L(zhǎng),每隔2種激勵(lì)線(xiàn)圈的間距為L(zhǎng)/4。

1.2 傳感器工作原理

該雙邊雙結(jié)構(gòu)感應(yīng)式位移傳感器工作時(shí),由圖2中信號(hào)的輸入方式對(duì)定尺中的2對(duì)端口分別通入2種激勵(lì)信號(hào),例如

i1(t)=Asinωt

(1)

i2(t)=Acosωt

(2)

式中i為輸入的激勵(lì)信號(hào),mA；A為最大電流幅值；ω為電流頻率,Hz。則會(huì)在圖2定尺中的空間磁場(chǎng)中,產(chǎn)生各個(gè)流向的電流磁場(chǎng),其表達(dá)式為式(3)～式(6)

圖2 定尺激勵(lì)信號(hào)流向

B1=ksinωt

(3)

B2=-ksinωt

(4)

B3=kcosωt

(5)

B4=-kcosωt

(6)

式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T；k為與傳感器的相關(guān)系數(shù)。

當(dāng)傳感器的動(dòng)尺分別在定尺的上、下方按一定速度水平移動(dòng)時(shí),其接收線(xiàn)圈的磁通量會(huì)發(fā)生相對(duì)改變,其中感應(yīng)線(xiàn)圈圖1(b)在通道B1、B2、B3和B4的磁通公式為

(7)

(8)

(9)

(10)

感應(yīng)線(xiàn)圈圖1(c)在通道B1、B2、B3和B4的磁通公式為

(11)

(12)

(13)

(14)

式中 Δh為感應(yīng)線(xiàn)圈幅值高度,mm；x為感應(yīng)線(xiàn)圈移動(dòng)的位移,mm；2π·x/L為將位移量轉(zhuǎn)換成弧度單位值,rad；Φ為感應(yīng)線(xiàn)圈在各個(gè)流向的磁通量,Wb。其中，對(duì)位移量積分是將感應(yīng)線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中增加和減少的磁通面積之和。

由磁場(chǎng)疊加原理,將Φ1(t,x),Φ2(t,x),Φ3(t,x)和Φ4(t,x)進(jìn)行合并,同時(shí)將Φ′1(t,x),Φ′2(t,x),Φ′3(t,x)和Φ′4(t,x)合并,然后利用公式

(15)

式中e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),mV；n為線(xiàn)圈數(shù)；S為線(xiàn)圈的有效磁通面積,m2。

將式(7)～式(10)和式(11)～式(14)分別合并后利用式(15),可求出兩感應(yīng)線(xiàn)圈在激勵(lì)信號(hào)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為[15]

(16)

(17)

最終得到2種感應(yīng)線(xiàn)圈在移動(dòng)不同距離時(shí)的電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式,且各個(gè)電動(dòng)勢(shì)的幅值與位移量無(wú)關(guān),只于傳感器的參數(shù)有關(guān)。

2 基于Ansoft的模型仿真

根據(jù)圖1的定尺、動(dòng)尺結(jié)構(gòu),并按照?qǐng)D2的尺寸繪制模型,利用Ansoft有限元仿真軟件對(duì)雙邊雙結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化創(chuàng)建并仿真[16],雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器模型各主要參數(shù)如表1所示。

表1 雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器模型參數(shù)

同時(shí)按照現(xiàn)在電子剎車(chē)助力器中安裝的內(nèi)置感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu),繪制對(duì)應(yīng)模型做對(duì)比,其感應(yīng)式傳感器模型主要參數(shù)如表2所示。

表2 感應(yīng)式傳感器模型參數(shù)

根據(jù)參數(shù)建模,對(duì)仿真解析方式選擇EddyCurrent,并選擇Maxwell 3D建模方式進(jìn)行建模,同時(shí)簡(jiǎn)化模型將各組激勵(lì)線(xiàn)圈和感應(yīng)線(xiàn)圈連接構(gòu)成閉合線(xiàn)圈,從中建立互感電流線(xiàn)圈,分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,2種結(jié)構(gòu)模型對(duì)比如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)構(gòu)對(duì)比

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)內(nèi)的激勵(lì)源進(jìn)行設(shè)置,如圖3(a),(b)中,感應(yīng)線(xiàn)圈相對(duì)激勵(lì)線(xiàn)圈移動(dòng)；而圖3(c),(d)中,激勵(lì)線(xiàn)圈包圍感應(yīng)線(xiàn)圈,當(dāng)金屬薄片在上方移動(dòng)會(huì)在感應(yīng)線(xiàn)圈上產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。保證移動(dòng)間距和步距相同,仿真結(jié)果處理如圖4所示?？梢钥闯?采用雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器模型,既可以保證2種信號(hào)的輸出,且減小了傳感器兩端信號(hào)相位差的范圍,在數(shù)據(jù)處理時(shí)有效提高了有效量程比。

圖4 相位對(duì)比

在圖3(a),(b)的激勵(lì)線(xiàn)圈,將不同相位的激勵(lì)信號(hào)分別進(jìn)行仿真,如圖5所示。從仿真結(jié)果可以看出,該結(jié)構(gòu)對(duì)不同相位的激勵(lì)信號(hào)具有兼容性,不會(huì)影響兩感應(yīng)信號(hào)的相位關(guān)系,具有一定的魯棒性；同時(shí)驗(yàn)證了在相位差為90°時(shí),感應(yīng)信號(hào)最優(yōu)。

圖5 不同相位差正、余弦激勵(lì)信號(hào)幅值對(duì)比仿真輸出

3 傳感器實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證

用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該文介紹的雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器樣機(jī)和感應(yīng)式傳感器樣機(jī),均采用印刷電路板(printed circuit board,PCB)雙面板工藝制造,其中雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器中激勵(lì)線(xiàn)圈集成了4個(gè)周期,會(huì)感應(yīng)出4個(gè)周期感應(yīng)信號(hào)；而感應(yīng)式傳感器中內(nèi)置了1個(gè)周期的感應(yīng)線(xiàn)圈,會(huì)感應(yīng)出1個(gè)周期的感應(yīng)信號(hào),其2種傳感器如圖6所示。

圖6 傳感器樣機(jī)

為了驗(yàn)證仿真的分析結(jié)果,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2種傳感器的樣品,搭建了如圖7(a)所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別由①顯示器、②信號(hào)采集器、③工控儀、④六軸控制器等幾部分組成。其中，傳感的一部分固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,另一部分固定在六軸控制器的一端,其運(yùn)動(dòng)部分會(huì)隨著六軸控制器的y軸移動(dòng)而測(cè)量出對(duì)應(yīng)感應(yīng)信號(hào)。

圖7 傳感器樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證2種傳感器的有效量程比,分別對(duì)傳感器樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)測(cè)量量程進(jìn)行采樣,測(cè)量部分誤差如圖8(a)，(b)所示?？梢钥闯觯?種傳感器的相位誤差主要在傳感器的兩端,中間部分在一點(diǎn)波動(dòng)內(nèi)處于有效量程,而兩端因相位差則出現(xiàn)誤差,由感應(yīng)曲線(xiàn)可以證明,雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器比感應(yīng)式傳感器的有效量程比增加了19 %。

通過(guò)對(duì)本文設(shè)計(jì)的雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器的2個(gè)激勵(lì)線(xiàn)圈,通入不同相位的信號(hào)源,利用信號(hào)發(fā)生器和示波器來(lái)驗(yàn)證感應(yīng)信號(hào)的幅值。如圖7(b)所示,其中，①為信號(hào)發(fā)生器,為定尺提供不同相位差的激勵(lì)信號(hào),相位差可調(diào)節(jié)并顯示；②為示波器,測(cè)量感應(yīng)線(xiàn)圈上感應(yīng)的信號(hào)。

通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)相位信號(hào)差,對(duì)感應(yīng)信號(hào)的幾個(gè)幅值進(jìn)行采集,對(duì)各個(gè)峰值進(jìn)行取樣并求平均,其中，正、余弦感應(yīng)線(xiàn)圈數(shù)據(jù)計(jì)算,并對(duì)其繪制如圖8(c)的相位曲線(xiàn),不同激勵(lì)相位差會(huì)影響感應(yīng)信號(hào)的幅值,可以根據(jù)需求通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)的相位差,達(dá)到需求；同時(shí)證明，在相位差為90°時(shí),信號(hào)幅值為最強(qiáng),即此相位差為最優(yōu)選擇。

圖8 傳感器測(cè)試曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種雙邊雙結(jié)構(gòu)的感應(yīng)式傳感器,目的是解決電子剎車(chē)助力器中感應(yīng)式位移傳感器的有效量程問(wèn)題,并通過(guò)該結(jié)構(gòu)有效地增加了有效量程比。介紹了該傳感器的結(jié)構(gòu)、功能原理、2種傳感器模型的仿真模型、仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。兩種仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證表明：本文提出的雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器在保證了2種感應(yīng)信號(hào)的輸出前提下,與內(nèi)置感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)式傳感器相比提高了19 %的有效量程比,在結(jié)構(gòu)精密、空間不足的設(shè)備中,對(duì)解決測(cè)量距離受限有了很大意義。

此外,該傳感器在對(duì)兩激勵(lì)信號(hào)的不同相位差做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和仿真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：輸入不同相位差的激勵(lì)信號(hào),在感應(yīng)線(xiàn)圈上感應(yīng)出不同幅值的感應(yīng)信號(hào),且兩感應(yīng)信號(hào)之間的相位差均保持穩(wěn)定,則雙邊雙結(jié)構(gòu)傳感器具有一定的魯棒性,不會(huì)因激勵(lì)信號(hào)而影響感應(yīng)信號(hào)的相位差,從而影響傳感器的有效量程。并且根據(jù)對(duì)各個(gè)激勵(lì)相位差的采樣,證明了在90°相位差時(shí)感應(yīng)信號(hào)為最優(yōu)選擇。