贾惠霞,王 健,张 娟
(1.北方捷瑞光电科技有限公司,陕西西安 710111;2.陕西华经微电子股份有限公司,陕西西安 710065)
差动变压器式位移传感器零位电压研究
贾惠霞1,王 健2,张 娟1
(1.北方捷瑞光电科技有限公司,陕西西安 710111;2.陕西华经微电子股份有限公司,陕西西安 710065)
差动变压器式位移传感器原理简单,便于实现。但是位移传感器会产生零位电压,同时在信号处理过程中,电路漂移也会引起测量误差。文中主要基于这种传感器的工作原理和信号处理过程,阐述零位电压产生的机理和消除的方法,提高传感器的测量精度,并用MATLAB仿真和实验的方法证明零位电压产生的主要部位,进而说明差动变压器式位移传感器加工时保证磁路对称的重要性。
差动变压器式位移传感器;零位电压;产生机理;信号处理;仿真;实验
差动变压器式位移传感器(简称为位移传感器)是把位移转换为模拟电压的传感器。具有良好的环境适应性,广泛应用于测量预先被变成位移的各种物理量和可以转换为位移变化的机械量(如张力、压力、振动、液位等)。主要有以下6个方面的特点:
(1)无活动触点,可靠性高,寿命长;
(2)分辨率高,灵敏度好;
(3)线性度高,重复性好;
(4)测量范围宽;
(5)无输入时有零位电压,引起测量误差;
(6)对激励电源的频率和幅值稳定度要求较高,不适用于高频动态测量。
位移传感器产生零位电压,对其使用有着制约作用,因此零位电压的研究显得尤为重要。零位电压力求做到最小,以提高位移传感器的测量准确度。
1.1 差动变压器位移传感器工作原理
位移传感器由初级线圈、次级线圈和可动铁芯组成。组成图和工作原理图参见图1。图1中线圈a、b组成初级线圈;线圈c、d组成次级线圈。e为可动铁心。Ma为线圈a和线圈c间的互感,Mb为线圈b和线圈d间的互感。
图1 差动变压器式位移传感器原理图
传感器初级两个线圈采用同名端串联,次级两个线圈采用同名端并联的接法。
若位移传感器激励信号为Vc:
Vc=An×cosωct
(1)
式中:An为位移传感器激励信号峰峰值;ωc为激励信号的角频率;Vc为传感器激励信号。
则传感器输出[1]为
(2)
式中:ΔM=Ma-Mb;Ri为次级线圈的阻值;L1为次级线圈的电感。
式(2)可简化为式(3):
E0=KΔM
(3)
当传感器激励信号Vc和角频率ωc一定时,传感器的线圈阻值和感量为常值时,K为常量。
当铁芯在线圈间运动时,会引起互感系数Ma和Mb变化,其变化量就代表了铁芯的运动规律,由式(3)可知,位移传感器的输出就代表了铁芯的运动函数。实现了铁芯的位移转换为模拟电压输出。
在理想的情况下,当移动铁心调到中间位置时,ΔM为零,但在实际的加工过程中,位移传感器两个差动线圈也不可能做到完全对称,磁路不对称,移动铁心调到中间位置时,ΔM不为零,就产生了零位电压误差。
1.2 位移传感器零位电压产生机理
零位电压是评定差动变压器性能的重要指标之一。产生零位电压的原因主要有2个:一是由于次级绕组两线圈电气参数和几何尺寸不对称,气隙不均匀,致使产生的感应电动势幅值不等,相位不同。这种情况下,不管怎样调整移动铁心的位置也不能使零位电压调到零;二是由于磁性材料磁化曲线的非线性,磁路不对称。另外温度变化会引起线圈的铜电阻值的变化,从而引起激磁电流和输出电流的变化,即造成输出电压的变化,产生温度误差。图2是位移传感器产生零位电压示意图。
图2 位移传感器产生零位电压示意图
要减小零位电压,首先要在传感器设计和工艺上,力求做到磁路对称、线圈对称,衔铁材料要均匀;其次,可在电路上做补偿,在差动变压器次级串、并联适当数值的电阻电容元件,使零位电压减小。
位移传感器输出信号的解调框图见图3。一般采用差分放大的形式将位移传感器的输出电压放大[2],可参见图4的电路形式。信号解调可采用乘法器的电路形式。
图3 位移传感器输出信号解调框图
图4 位移传感器输出电压差分放大电路
从式(3)可以看出位移传感器输出端零位电压信号是与激励源有一定关系的交流信号,包括基波同相分量、基波正交分量和高次谐波分量[1],经过解调电路(乘法器)解调后,滤除激励源的高频成分成为直流信号,其解调过程如下:
位移传感器激励信号同式(1),该信号同时送到乘法器。
激励信号经过位移传感器后就调制成铁心运动函数。为调制信号,经差分放大输出信号为
Vi=Am×f(t)×cos(ωct+ Ф)
(4)
式中:f(t)为位移传感器移动铁心运动函数;Ф为经过位移传感器后激励信号产生的相移;Am为调制信号的峰峰值信号。
则经乘法器解调出的解调信号的输出电压为
Vo=Vi×Vc
=Am×f(t)×cos(ωct+ Ф)×An×cosωct
=Am×An×f(t)/2[cos(2ωct+Ф)+cos Ф]
(5)
后级的低通滤波电路滤除了Am×An×f(t)]/2×cos[(2ωct+Ф)]的高频信号,剩余Am×An×f(t)/2cos Ф项,铁心运动函数f(t)就被解调出来了。
用MATLAB软件对位移传感器输出信号的解调过程进行仿真[3],模型见图5。图中的Product相当于位移传感器,将激励信号和铁芯的运动函数调制在一起。当位移传感器无零位电压时,差分放大输出的调制信号无直流分量,无论载波信号有无直流偏置电压时,经乘法器解调后输出的信号无直流偏置分量,波形是对称的,仿真波形见图6。
图5 位移传感器信号解调输出模型
图6 位移传感器无零位电压时解调输出波形
在实际应用中,位移传感器总是存在零位电压误差,差分放大输出的调制信号总是有一个直流偏置,这个偏置设为B,经差分放大后代表铁芯运动的函数为
Vs=Am[f(t)+B]×cos(ωct+ Ф)
(6)
经乘法器解调输出的函数为
Vo=Vi×Vs
=Am[f(t)+B]×cos(ωct+ Ф)×Ancosωct
=AmAn[f(t)+B]/2{cos(2ωct+Ф)+ cos Ф]
(7)
后级的低通滤波电路滤除了式(7)中的高频成分:Am×An×[f(t)+B]/2×cos[(2ωct+Ф)/2]信号,剩余Am×An[f(t)+B]/2cosФ项,则移动铁心运动信号f(t)被解调出来了。输出信号就有一个直流偏置信号,仿真图见图7。
图7 位移传感器有零位电压时解调输出波形
从仿真过程中可以看出,输出信号的直流偏置信号与位移传感器激励信号的零位电压没有关系,主要与移动铁心信号的偏置电压有关系,也就是说输出信号的直流偏置信号与位移传感器自身零位电压有关系。
从以上理论分析和仿真的情况来看,位移传感器解调输出信号的偏置电压主要由位移传感器本身零位电压决定,与激励信号和解调处理电路没有太大的关系。为了进一步验证这一结论,对解调输出信号的偏置电压进行分离试验。
分离试验进行了3组:
(1)激励源稳定后测试输出偏置电压;
(2)位移传感器预热稳定后测试输出偏置电压;
(3)解调电路改善后对比输出偏置电压。试验数据见表1。
表1中测试第2列数据结论:激励源已预热1 h,达到稳定状态;测试30 min,直流分量变化了-87.5 mV,前5 min变化较大,变化了67 mV。说明位移传感器解调输出信号偏置电压与激励源没有关系。
表1中测试第4列数据结论:位移传感器预热0.5 h;测试3 min,直流分量变化了-18.3 mV,变化较小。说明位移传感器工作稳定后,解调输出信号的偏置电压达到稳态。
将差分放大电路上的运放由AD817更换为OP37,器件温度漂移从10 μV/℃变为0.2 μV/℃,提高了50倍,上电后测试直流偏置电压,测试数据见表1中第3列数据,测试数据结论:
测试30 min,直流分量变化了-96 mV,前7 min变化较大,变化了73 mV。偏置电压变化趋势、变化量和电路改观前大体是相同的,说明了解调电路改善对解调输出的偏置电压没有影响。
试验说明,解调输出信号的偏置电压主要由位移传感器自身的零位电压决定,而且位移传感器预热5 min后,零位电压达到常值。
表1 位移传感器解调输出偏置电压测试数据
通过理论分析、建模仿真和试验分离,确定了位移传感器和信号解调输出这个系统中,直流偏置电压产生的根源是位移传感器自身存在零位电压,要解决这一系统的直流偏置电压带来的测量误差,主要还是要减小位移传感器自身零位电压。
位移传感器的零位电压对其使用有着制约作用,因此位移传感器的加工就显得尤为重要。要制定位移传感器加工过程参数,对线圈的电气性能筛选、配对。制作装配工装,保证线圈的平行度和同轴度,也保证了工艺参数的一致性,装配时保证磁路对称,减小位移传感器零位电压,提高测量的准确度。
[1] 刘昌旭,航空专业教材编审组.控制系统元件.西安:西北工业大学出版社,1997:33-44.
[2] 童诗白.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,1998:171-199.
[3] 周凯利,邓春晖.MATLAB基础及其应用教程.北京:北京大学出版社,2007:214-249.
Study on Zero-point Remainder Voltage of Differential Transformer Displacement Sensor
JIA Hui-xia,WANG Jian,ZHANG Juan
(1.Xi’an North Jierui Opto-electronics Technology Ltd.,Xi’an 710111,China; 2.Shaanxi Huajing microelectronic Co.,Ltd.,Xi’an 710065,China)
The principle of the differential transformer displacement sensor is very simple,and it is very easy to realize.The measurement errors exit not only because of zero-point remainder voltage of the carrier,but also because of the circuit drift in the process of signal processing.This article was based on the principle and the signal processing of this kind of sensor,and the principle of zero-point remainder voltage and the method of removing it were introduced,thus improving the certainty of measurement.The main part of null voltage was proved through MATLAB simulation and experiment,thus proving the importance of magnetic circuit symmetry in the differential transformer displacement sensor.
differential transformer displacement sensor;zero-point remainder voltage;the principle of zero-point remainder voltage;signal processing;simulation;experiment
2014-01-03 收修改稿日期:2014-11-10
TP212.9
A
1002-1841(2015)02-0082-03
贾惠霞(1968—),高级工程师,主要从事电子技术和激光陀螺控制系统方面的研究。E-mail:jhxia0156@sina.com 王健(1965—),高级工程师,主要从事电子元器件和厚膜电路方面的研究。