1引言 在機械系統(tǒng)中......



1　引言
　　在機械系統(tǒng)中，往往需要對各種機械量進行測量，由于許多機械量能夠變換成位移，故選用適當?shù)奈灰苽鞲衅骶湍軠y量出許多機械量。差動變壓器將機械位移轉(zhuǎn)換成與它成比例的電壓或電流信號，是一種非常便利的位移檢測器。
　　 差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，但其工作原理卻基本一樣，都是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成變壓器的互感變化，變壓器初級線圈輸入交流電壓，次級線圈則感應(yīng)出電動勢。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，差動變壓器可以測量0.01μm～500mm的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。
2　差動變壓器的基本結(jié)構(gòu)
　　以螺管形差動變壓器為例，介紹差動變壓器的基本工作原理。
　　 螺管形差動變壓器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由初級線圈p，兩個次級線圈S1、S2和插入線圈中央的圓柱形鐵芯b組成，其結(jié)構(gòu)形式又有三段式和兩段式之分。
　　差動變壓器的線圈連接如圖1c所示。次級線圈S1和S2反極性連接。當初級線圈p加上某一頻率的正弦交流電壓Ui后，次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓為U1和U2，它們的大小與鐵芯在線圈內(nèi)的位置有關(guān)。U1和U2反極性連接便得到輸出電壓U0。
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　　 當鐵芯位于線圈中心位置時，U1＝U2，U0＝0；
　　 當鐵芯向上移動時(見圖1c)，U1＞U2，U0＞0，則M1大，M2小(M1、M2為互感系數(shù))；
　　 當鐵芯向下移動時(見圖1c)，U1＜U2，U0＜0，則M1小，M2大。
　　 鐵芯偏離中心位置時，輸出電壓U0隨著鐵心偏離中心位置的大小，U1或U2逐漸增大，移動方向不同，相位相差180°，如圖2所示。因此，測量出輸出電壓的大小和相位就能知道鐵芯移動的距離和方向。
3　傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工作原理
　　受結(jié)構(gòu)的限制，三段式差動變壓器只能用于測量小位移(10～20mm)，對兩段式差動變壓器的結(jié)構(gòu)稍作變動，就可以滿足測量較大位移的需求，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　次級線圈2均勻密繞在鐵芯棒1上，該線圈由線徑、匝數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的左右兩組繞組按差動方式連接而成，感應(yīng)信號由C、D兩端子輸出，鐵芯可相對于繞在膠木管3上的勵磁線圈4左右活動。
設(shè)勵磁電流為：
i（t）＝i0＋iacosωt (1)
則C、D兩端輸出電壓為
其中Ml和Mr分別是左右繞組和原邊繞組之間的互感。當鐵芯位于中間位置時，則
Mr＝Ml＝M0 （3）
如果鐵芯向左移動距離X，則
Xl＝M0＋ΔM （4）
而
Mr＝M0－ΔM （5）
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由于副邊繞組均勻密繞，因此有
ΔM＝KmX （6）
將式(3)～(6)代入式(2)，得
可以看出U0由三項組成，即
U0＝U01＋U02＋U03
其中
U03＝2KmXiaωsinωt
　　 U01為直流分量，并且正比于鐵芯的速度dx／dt，因此此項可用于測量速度；U01為余弦分量，U02為正弦分量，它的幅值正比于鐵芯的位移X，而且U02的幅值中包含有ω項，由于ω＝2πf，而f通常比較大，所以U02U01，因此在式(7)中將U01忽略掉，對測量結(jié)果影響不大。
　　 很明顯，若勵磁線圈中只通入直流分量，則差動變壓器的輸出可以用來測量鐵芯的速度；若勵磁線圈中只通入交流分量，則差動變壓器的輸出可以用來測量位移；若勵磁線圈中同時通入交、直流信號，則差動變壓器的輸出當然可以對速度、位移同時進行測量，對速度信號進行微分運算，還可以得到加速度信號。
　　 綜上所述，通過施加不同的勵磁電流，差動變壓器可用于對多個機械參數(shù)同時進行測量，成為一種實用的多功能測量儀器。
4　實用接口電路設(shè)計
　　由上述分析可以看出，當輸入為余弦信號時，輸出為正弦信號，它的幅值與機械位移成正比，為了得到所需要的幅值信息，傳感器的測量接口電路一般由以下幾個部分所組成，如圖4所示。
　　圖4中，LZX1為全波相敏解調(diào)器，它將傳感器輸出的信號進行全波整流后輸出，再經(jīng)過低通濾波器，濾除調(diào)制時引入的高頻信號，得到的直流信號經(jīng)過放大，可以直接驅(qū)動記錄儀表，或者經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，輸入到計算機中，進行數(shù)字顯示或控制，以達到對被測對象的運動狀態(tài)進行實時監(jiān)控的目的。
為了對數(shù)控刨齒機的滑枕位移進行測量，我們根據(jù)上述原理制作了行程為0～25mm的傳感器，測量數(shù)據(jù)如下表所示。
表 　位移傳感器測量數(shù)據(jù)
位移
(mm)U0
（V）位移
(mm)U0
（V）
20.2-2-0.2
40.4-4-0.4
60.6-6-0.6
80.79-8-0.8
100.99-10-1.0
121.19-121.19
141.39-14-1.4
161.59-16-1.59
181.79-18-1.79
201.99-20-1.99
222.19-22-2.18
242.39-24-2.38
262.57-26-2.57

測量結(jié)果顯示出傳感器的非線性度小于1%，靈敏度大于15mv/mm，能夠滿足使用的要求。
　　 設(shè)計測量接口電路時，還可以采用美國AD公司的低功率差動變壓器數(shù)字接口芯片AD2S93，它不僅可以完成差動變壓器的信號調(diào)制工作，而且還可以完成A／D轉(zhuǎn)換并將數(shù)字信號以串行方式輸出，具有可重復(fù)性好、遠距離測量、高精度、低功耗、線性度好等優(yōu)點，非常適合于精密測量。
　　 AD2S93與差動變壓器的接口如圖5所示，其中差動變壓器的輸出信號由A、B端輸入，當CS端為低電平時，DATA端將輸出位移測量頭的絕對位置所對應(yīng)的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量用16位輸出，其中包括13位數(shù)字信息、2位溢出信息和一位錯誤信息，輸出的數(shù)字量可以通過串口輸入計算機中。
5　結(jié)論