悬浮式磁性液体球差动变压器式位移传感器

陆招兰，王坤东，马有为，钟国宸

(1.三明学院现代教育技术中心，福建三明 365004；2.上海交通大学仪器工程系，上海 200240)

0 引言

差动变压器式位移传感器是利用磁场的对称性，导磁铁芯在偏离中心位置后引起的感应电压差来敏感位移。在检测环节，使用反向差动连接的线圈得到差动信号，从而有效消除了共模信号，因此差动变压器在精密位移测量领域具有广泛的应用，是一种技术非常成熟的产品。为了获得高精度，一般铁芯两端都有支撑和较大预紧力，在长时间的使用过程中，会引起铁芯的磨损，降低精度。在一些中高频的测量场合，铁芯的质量会影响被测对象动力学参数与特性，使得控制系统变得复杂。另外，铁芯在使用时自身会被磁化，剩磁的存在会影响输出的灵敏度，存在一定的死区。综合以上，寻找一种新型的导磁材料作为铁芯对于提高传统的差动变压器位移传感器的使用寿命、精度和对被测系统的低侵袭性具有十分重要的意义。

为了解决上述问题，本文提出了利用磁性液体代替铁芯来构建差动变压器位移传感器。磁性液体是一种功能材料，由纳米磁性颗粒在表面活性剂包覆下稳定地悬浮在载液中形成，兼有超顺磁性和流体的流动性，目前在多种新型传感器中有所应用[1-3]。本传感器中磁性液体被封装在PLA材料制作的具有空腔的球中，整体密度接近于水。充满磁性液体的PLA球置入圆管，圆管中充满水，PLA球悬浮其中。管的外部绕制激励线圈和差动探测线圈。当磁性PLA小球发生位移时，磁性液滴的移动引起感应线圈产生差动输出。与现有差动变压器位移传感器比较，磁性液体位移传感器具有以下优点：

(1)磁性液体液滴运动时无机械摩擦，磨损几乎不存在，可长时间保持较高精度；

(2)磁性液体液滴被包裹后悬浮在水中，可很好地抵抗外界干扰，如振动、温度变化和电磁信号干扰等；

(3)磁性液体具有超顺磁性，没有剩磁，因此不会产生干扰磁场[4-6]。

本文设计了一套磁性液体式位移传感器方案，并设计了测试电路。使用自行设计和开发的传感器及其测试电路测试验证。

1 传感原理

磁流体差动位移传感器的详细结构如图1所示，包括磁性液体、双层球壳、连接杆、密封圈、筒体、激励线圈和感应线圈。磁性液体采用Fe3O4磁载子，基液为润滑油，整体密度为1.2 g/mm3。双层球壳采用PLA材料打印，密度为0.82 g/mm3。磁性液体封装在双层球壳内，通过设计双层球壳的空腔使得封装磁性液体后的球体整体密度接近于水的密度，其结构如图2所示。

图1 磁性液体式差动变压器位移传感器

图2 磁性液体球壳示意图

在筒体内注水，球体在筒体内悬浮在水中，一根贯通球壳的连接杆来带动磁性液体球的移动。线圈分为两层，外部为激励线圈，内部为感应线圈。感应线圈是2个对称的次级线圈，在激励线圈中引入励磁信号，磁性液体球由于受到梯度磁场力的作用而向梯度最小的地方移动，即励磁线圈的中心位置。此梯度磁场力类似于磁性弹簧，对磁性液体球来说具有自动维持功能，当磁性液体球偏离中心位置时，梯度磁场力会将其拉回到中心位置。当磁性液体球在中心位置时，传感器产生的差动输出电压为0，当液体在一定范围内移动时，传感器的输出电压随液滴位移线性改变。如果以适当的方法测量差动输出电压，就可以得到与位移成比例的模拟电压信号。

以上结构设计的优点在于：

(1)活动磁性液体球及连接杆工作在水中，几乎没有磨损；

(2)磁性液体球悬浮在水中，质量小，对被测系统影响小；

(3)使用无形的磁力弹簧来复位，无机械饱和。

2 工作特性方程与测量电路

为了降低分析的复杂性，假设磁性液体不可压缩，并工作在相对稳定的温度环境中，激励线圈所产生的磁场不会使磁性液体磁化。激励磁场通过缠绕在螺线管上的线圈产生，当给激励线圈通以交变电流时，感应线圈则产生差动的感应电压。考虑到传感器主要是用来测量位移，因此在频率为ω的交流激励电流i的作用下，耦合得到2个差动线圈的电压信号为

u=jω[M1(z)-M2(z)]·i

(1)

式中M1(z)与M2(z)分别为2个励磁线圈与2个检测线圈的互感系数，其大小与位移唯一相关。

通过该传感器测位移时，根据得到的电压值经过标定后即可得到对应的位移z，从而进行数值读取[7]。测量电路如图3所示。由于产生的差动电压输出存在极性，在正向和反向产生的电压差在相位上相差180°，这里利用相敏检波电路来测量极性。

图3 检测电路原理框图

3 传感器样机及测试

3.1 传感器

按图1所示构建磁性液体位移传感器，测量相关的指标如下：饱和磁化强度为400 GS，密度为1.2 g/mL，表面张力为2.9 μN·m，环境温度为27 ℃时黏度为6 mPa·s，水中溶解度可忽略，表观为黑色液体[5]。在常温下，将其注入到球壳后插入连接杆后密封，然后装入充满水的线圈中，如图4所示。为防止水中的杂质对磁性液体材料的影响，使用去离子工业纯净水。使用线径0.2 mm的漆包线绕制励磁线圈和检测线圈。励磁线圈和检测线圈的参数如表1所示。由于输出为差动模式，故在制作检测线圈时，需保证2组线圈各项性能参数的一致性，感应线圈参数为一个感应线圈的参数。

图4 传感器样机

表1 线圈参数

3.2 测试电路

完成的激励检测电路及显示原型样机如图5所示。采用AD9833芯片作为波形发生器，采用AD630芯片构建相敏检波模块，STM32单片机来进行控制和检测，结果显示在LCD屏幕上。

图5 检测电路及面板原型样机

测试中信号发生器输出幅值为200 mV的正弦波信号，频率为8 kHz，经功率放大后输入激励线圈。使用机械式螺旋测微仪驱动本传感器的连接杆，对传感器进行标定实验。感应线圈输出差动电压经放大后输入相敏检波模块，然后经低通滤波，利用单片机的ADC功能来检测信号，标定及测试系统组成如图6所示。

图6 测试场景图

图7 去程回程回路测量

测试时，激励使用幅值为0.2 V频率为6 kHz的正弦波，线圈输出经约680倍放大后，测量中心点附近10 mm的输出，其中在中心点附近采集数据较密集，共测得3组数据，如图7所示。其中第1、2组为去程，第3组为回程。

从图7中可以看出，3组数据在线性区域基本重合，在非线性区域不重合，表明该传感器在线性区域具有一定重复精度与较低的回差(最大在4 mV左右)。由于在边缘区域曲线线性度降低，故取图7中位移在3～8 mm内的输出进行线性拟合，拟合结果如图8所示。从图8可以看到传感器在0～8 000 μm范围内线性度很好，传感器灵敏度约为675 μV/μm。取图8中3组测量数据在此范围内进行线性拟合，得到拟合曲线为

VRMS=3 340.28-0.68d

式中：VRMS为输出电压有效值，mV；d为位移，μm。

图8 测量结果直线拟合

从上述测量结果可以得到，传感器标度系数为1.48 μm/mV，具有较高的灵敏度。但在零点附近回程误差较大，是由于差动运算放大器本身的直流偏置输出引起的，约为9 mV，约为满量程的3‰。

4 结束语

本文首先分析了传统差动变压器式位移传感器存在的缺陷，然后介绍了磁性液体的一些特性，提出了利用磁性液滴球代替铁芯实现位移传感器的思路，并分析了位移与差动电压输出的关系。在此基础上设计了测量方案，完成了传感器的测试平台和信号处理电路。然后进行了初步的测试，结果表明，该传感器可以实现位移传感器的功能，且具备较高的灵敏度，证明磁性液体具备代替铁芯制作差动变压器式位移传感器的能力。但是使用磁性液滴球也存在零点残余电压的问题，这是该传感器需要下一步解决的问题。