基于Maxwell环境的LVDT传感器仿真设计

摘要：LVDT（Liner Variable Differential Transformer）传感器是一种差动变压器式传感器，用于将机械位移信号转换成电信号，具有工作环境适应性强、可靠性高、输出精度高、线性度好等显著特点。现以Maxwell为基础，分析LVDT传感器电磁性能仿真过程，以提高LVDT传感器产品设计效率。

關键词：LVDT;电磁性能;仿真设计

0    引言

随着5G时代到来，航空航天领域信息化、自动化水平进一步提高，LVDT传感器也凭借其灵敏度高、线性度好、分辨率高、使用寿命长等优点而得到广泛使用。LVDT传感器主要由线圈架、铁芯、初级线圈、次级线圈以及闭磁筒等零部件组成。受磁性材料、线圈绕制等因素影响，“计算—试制—测试—重新计算—再试制—再测试”的传统设计方式已无法满足产品迭代更新和高质量要求。随着计算机技术的发展，CAD/CAE技术在产品设计中得到了推广使用，利用Ansys系统中Maxwell模块进行传感器线圈电磁性能仿真计算，可提高工作效率及产品质量。

1    LVDT工作原理

LVDT传感器采用差动变压器原理设计，根据电磁感应原理，将机械位移信号转换成电信号。如图1所示，差动变压器结构由1个初级线圈、2个次级线圈及铁芯组成。根据电磁感应原理，当在初级线圈施加激励交流电压Ui时，次级线圈上产生感应电压，将2个次级线圈反极性串接，由于2个次级线圈输出电压U1、U2相位相反，将二者叠加后，在两个次级线圈产生电位差U0。当铁芯处于中心位置时，U1=U2，叠加后的输出电位U0=0;而当铁芯随被测物移动产生位移时，U0产生变化。在一定的范围内，U0的大小与铁芯距离中心对称位置的位移量成正比，该区间为传感器的有效行程工作区间。据此，通过检测U0输出值的大小，便可得知铁芯位移变化量。

2    传感器输出特性计算

LVDT传感器电气原理图如图1所示，为了便于分析计算，将线位移传感器看作是一个理想变压器，忽略铁损、耦合电容和涡流损耗对传感器性能的影响。当次级线圈开路时，初级线圈的电流为：

U0的值反映传感器铁芯的位移量x，但其大小受输入量i的影响，当i受到干扰或由于其他原因产生变化及波动时，U0值的变化就不再准确反映铁芯位移量的变化，故实际应用中常使用d=来反映传感器铁芯的位移量。

3    电磁性能仿真计算

Ansoft Maxwell作为著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各工程电磁领域得到了广泛的应用;它在保证计算准确性和快捷性的前提下，能够分析静态及瞬态磁场，较好地满足了LVDT的建模、仿真计算要求。

3.1    LVDT建模

以电气行程为±7 mm、LVDT增益值为±0.5、输出线性度为±0.5%FS技术条件要求的产品为例进行建模分析。由于铁芯是圆柱体结构，初级线圈、次级线圈均为环形绕组，利用Maxwell 2D建模（图2），忽略外壳及线圈架等非导磁材对仿真计算结果的影响。对线圈架、铁芯、闭磁筒等金属材料赋予相应的材料属性，确定线圈架等结构尺寸后，对各个区域进行网格划分，设定初级线圈匝数为2 400匝，次级线圈匝数为1 500匝，铁芯直径为3 mm，长度为26 mm，导入外部电路，设置激励电压及电阻等参数，确定运动部件参数，定义为线性运动，运动范围为-7 mm至7 mm，每隔1 mm求解一次进行仿真计算。

3.2    仿真分析

LVDT输出增益、精度等参数满足技术指标受次级线圈感应电压值影响，可通过次级线圈结构、匝数以及铁芯长度来调整次级线圈感应电压值。根据次级线圈电压值计算LVDT增益值（图3），并对增益值按最小二乘法进行线性拟合（图4），计算各整数点精度均满足±0.5%FS（表1），通过线性拟合可得LVDT灵敏度为0.071 4 V/mm，非线性度误差为0.22%FS，精度为0.25%FS，符合LVDT参数要求。

4    试验验证

为了对该仿真结果进行验证，按仿真确定LVDT铁芯、线圈架、闭磁筒等零件参数加工机械零件，再按初级线圈、次级线圈参数要求加工制作LVDT，并在水平测长仪上进行测试，初级线圈接通3 V、3 kHz正弦波信号，通过伺服电机移动铁芯位置，测量次级线圈输出电压U1、U2，通过电压值计算LVDT输出增益，并与仿真值进行比较（表2），可知仿真结果与实际加工产品试验结果差异不大，均满足LVDT技术调点要求。

5    结语

利用Ansoft Maxwell进行仿真计算，打破了“计算—试制—测试—重新计算—再试制—再测试”的传统设计方式，缩短了产品设计周期，且LVDT产品输出精度、线性度等得到了有效提高，产品性能稳定性得到了改善。

本文对LVDT利用Maxwell进行仿真工作进行了研究，通过仿真工作可缩短LVDT研制周期、降低生产成本、满足交付进度要求，并可快速有效地判断LVDT输出精度、增益值、线性度是否满足技术参数要求，为传感器系列化发展提供数据支撑。

[参考文献]

[1] 李科杰.新编传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，2002.

[2] 赵博，张洪亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

收稿日期：2020-03-18

作者简介：邓小雄（1983—），男，湖南郴州人，工程师，研究方向：LVDT产品开发与设计。