差动变压器式位移传感器性能稳定性技术研究

余 菲,孙 楠,朱廷伟,杨超凡,任海燕

(北京精密机电控制设备研究所,北京 100076)

差动变压器式位移传感器作为航天伺服系统作动器控制反馈元件,参与发动机喷管摆动控制。随着差动变压器式位移传感器的发展,其具有工作可靠、准确度高、精度高、结构简单、灵敏度高、使用寿命长、环境适应性强等优点[1-3],广泛应用于航天伺服系统。

随着我国航天事业的不断发展,伺服系统对位移传感器的需求量也不断上升,同时要求位移传感器不断地进行技术革新,提高位移传感器精度、可靠性及寿命,以满足伺服系统高精度、高可靠性及长寿命等要求。同时,对位移传感器环境适应性也提出了较高要求,例如,强力学环境要求、复杂电磁环境要求及宽温域下高精度工作要求等,这使得位移传感器结构设计及信号调理电路设计均有了较大改变,对于飞行过程中强力学环境,可通过增加初级线圈、次级线圈绕组线径的方式,使位移传感器满足强力学环境要求;对于复杂电磁环境,可通过选材、增加位移传感器电磁屏蔽设计及改善电路滤波等方式予以解决;对于宽温域下的位移传感器高精度要求,需对传感器进行温度补偿。

为使差动变压器式位移传感器在全温域下能够更精确更高效地在伺服系统中工作,本文在分析了影响差动变压器式位移传感器性能稳定性因素的基础上,介绍了提高性能稳定性的技术方法,以适应伺服系统在飞行过程中恶劣环境下的使用需求。

1 传感器工作原理

传感器工作原理如图1 所示,由初级线圈W 和两个参数相同的次级线圈W1和W2组成。线圈中心插入铁心P,次级线圈W1及W2反极性串联。当初级线圈W 上加交流电压时,次级线圈W1及W2产生感应电势e1与e2。当铁心在中心位置(X=0)时,e1=e2,输出电压e0=0;铁心向上运动时,e1>e2;铁心向下运动时,e1

图1 差动变压器式位移传感器工作原理Fig.1 Schematic diagram of LVDT

2 影响性能稳定因素分析

差动变压器式位移传感器具有良好的灵敏度和一致性、较高的精度和可靠性以及较长的使用寿命等特点,已广泛用于航天领域伺服系统中,参与发动机喷管摆动控制。作为线位移量测试的主要元件,差动变压器式位移传感器能够实现在航天飞行过程中强力学环境、复杂电磁环境及宽温域等恶劣环境下可靠工作,但其输出特性仍会因外界环境条件的变化而发生改变,影响伺服系统的控制精度。

根据差动变压器位移传感器工作原理及结构可知,影响其工作性能的因素有传感器几何尺寸、初次级线圈绕组布置、铁芯材料特性、激磁电流和频率以及环境温度变化。初级激磁影响线圈的阻抗和温度分布,铁芯磁导率也会受温度、激磁电流和频率变化的影响而发生变化[4-7]。

为补偿这些影响,一般有如下方法:(1)在后续传感器信号变送调理电路中增加热敏电阻,以改变传感器直流输出下的温度特性;(2)从传感器自身出发,设计一种自补偿差动变压器式位移传感器,在进行位移传感器次级线圈绕制时,绕制双次级线圈,改变差动变压器式位移传感器自身的温度特性,从根本上提高位移传感器性能稳定性;(3)考虑到传感器一般采用以SE5521 芯片为核心的信号变送调理电路进行信号调理,输出直流电压信号,通过改变调理芯片,解决传感器在全温域下的性能稳定性问题。

3 提高性能稳定性技术

3.1 采用热敏电阻改变传感器温度特性

鉴于温度对位移传感器性能影响主要体现在传感器输出特性会根据温度的改变而发生变化,故可在位移传感器后续的信号变送调理电路中,使用热敏电阻补偿温度对传感器的影响,使传感器在一定温度范围内输出特性得到改善。采用该方法,虽能有效地改变传感器在一定温度范围内的输出特性,但采用热敏电阻补偿方式无法对传感器进行全温域补偿,无法实现位移传感器在全温域下高精度工作的要求。此外,考虑到差动变压器式位移传感器结构特点,传感器温度特性散布较大,采用热敏电阻进行温度补偿的方法需对每一台传感器进行调试配对,并选用不同温度特性的热敏电阻,故采用该方法进行配对难度较大。

3.2 自补偿差动变压器式位移传感器

图2(a)和(b)表示的是传统位移传感器,差动信号(e1-e2)取自次级线圈S1和S2。图3(a)和(b)表示采用自补偿技术的传感器原理结构,它设有两组次级线圈S1、SC1和S2、SC2,这两组次级线圈的环境温度特性和所受激励条件完全相同,通过不同接线方式,使线圈产生两路输出,一路为(e1-e2),另一路为(e1+e2)。

图2 无补偿位移传感器。(a)简化图;(b)截面图Fig.2 Uncompensated LVDT.(a) Reduced graph;(b)Sectional view

图3 自补偿位移传感器。(a)简化图;(b)截面图Fig.3 Self-compensated LVDT.(a) Reduced graph;(b)Sectional view

对于位移传感器:

式中:e1为次级线圈S1和SC1感应电压;e2为次级线圈S2和SC2感应电压;μ为铁芯材料磁导率;Ip为初级激磁电流;f为初级激磁频率;X为铁芯位移;T为环境温度;k1,k2均为与线圈、铁芯、其他装配结构尺寸及初次级线圈匝数有关的常数。

对无补偿的位移传感器:

如果位移在正常有限范围,那么X因数可以F(X)的形式分离出来。对于完全对称结构,k1=k2=k,则:

因为μ=μ(T,Ip,f),因此

可知输出(e1-e2)与温度、激磁电流、激磁频率等传感器参数有关。若将输出用(e1-e2)/ (e1+e2)表示,则:

上述表达式不含T,Ip和f,因此与这些参数无关。由于F(X)+F(-X)在铁芯位移X变化时保持恒定不变,故输出取决于差动信号[F(X)-F(-X)],消除了温度、激磁电流、激磁频率等传感器参数的影响,可以通过构建IC 除法器实现。

采用该方法提高传感器性能稳定性,实现难度较大,对传感器绕线结构、绕线方式要求较高,但可有效地消除温度、激磁电流、激磁频率等对传感器输出造成的影响,从根本上提高了传感器性能稳定性。

3.3 位移传感器信号变送调理电路

根据上述自补偿传感器原理可知,传感器的次级线圈不必用两组,继续使用完全对称的一组次级线圈,仅需在原有SE5521 信号变送调理电路基础上,构建新的信号变送调理电路,使其完成(e1-e2)/(e1+e2)算法即可,再用后续电路完成解调、滤波及放大等功能,使其最终输出与温度、激磁电流、激磁频率等传感器参数无关的直流电压。采用该方法可有效地降低差动变压器式位移传感器线圈绕制难度,解决传感器在宽温域下输出受温度影响的问题。通过对不同变送器芯片进行分析,AD598 变送器芯片完全可以实现上述功能[6-8]。

3.3.1 基于AD598 变送器的位移传感器信号变送调理电路

AD598 是一种完整的单片式位移传感器信号变送调理电路,其原理框图如图4 所示。

图4 AD598 原理框图Fig.4 Schematic diagram of AD598

AD598 对差动变压器式位移传感器进行信号调理,能够将位移传感器的机械位置变化转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598 将所有的电路功能都集成在一块芯片上,在外围电路中增加电阻及电容等无源元件,就能确定激磁信号幅值、频率及输出电压的幅值。AD598 芯片内部存在如下功能模块:(1)可产生位移传感器初级激磁信号的低失真正弦波振荡器;(2)输出放大器;(3)接收位移传感器次级输出的两个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输出放大器,在AD598 的除法器中,将来自位移传感器次级的两路输出实现(e1-e2)/(e1+e2)算法。

AD598 芯片电路图如图5 所示,这种电路方式需要位移传感器引出中间抽头,即需引出差动变压器式位移传感器同名端抽头,适用于输出形式为五线制(输出线为五根)或六线制的位移传感器。

图5 位移传感器变送电路图Fig.5 The transmitter circuit diagram of LVDT

(1)信号发生器部分

由C1决定激磁电压频率f,C1=35/f,若f=8 kHz,则C1=4375 pF,选择4300 pF。

采用AD598 解调电路时,输入电压VIN的有效值Vrms在1～3.5 V 时其线性度最好,噪声最小,故首先根据传感器的电压传递系数VTR(传感器激励电压VPRI与次级线圈输出电压VSEC的比值),求出传感器输出电压VEXC,再根据图6 决定R1大小。

图6 R1 与VEXC的关系Fig.6 The relationship of R1 and VEXC

(2)滤波器部分

电容C2,C3和C4是AD598 位置测量系统所要求的频带宽度函数,其标称值与系统频率fSYS有关,为:C2=C3=C4=10-4/fSYS,取fSYS=100 Hz,则C2=C3=C4=0.01 μF,满足伺服系统要求,即在频率f=50 Hz 时满足幅值比为1±1%,相位滞后不大于3°的频响要求。

(3)零位、增益调整

电阻R2确定AD598 增益和满量程输出电压范围。

式中:S为LVDT 的灵敏度;d、Vout分别为满量程时铁芯的位移和电压输出;VPRI为初级激磁电压。

R3和R4可确定正或负的输出失调电压调整范围,即可以用来调整传感器的最终零位输出电压VOS。

位移传感器的零位不需调整时,R3和R4开路,若需正向调整将R4开路,反之将R3开路。

3.3.2 基于AD698 变送器的位移传感器信号变送调理电路

虽然以AD598 的变送算法完全满足式(10)需要,但由于其适用于输出形式为五线制或六线制的位移传感器,不适用于四线制输出的位移传感器,其实用能力具有一定的局限性。而AD698 信号变送调理电路的变送算法与之类似,也能消除如频率、激磁电流及温度的影响,特别是AD698 可适用于各种输出形式的位移传感器,使用AD698 更方便[9-13]。故在本研究中,采用AD698 构建传感器信号变送调理电路,图7 为AD698 原理框图,其基本功能为:芯片内部集成了信号发生放大电路、信号比率解调电路、滤波和放大电路,通过对AD698 与LVDT 进行配调,能够高精确和高再现性地将位移传感器的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。

图7 AD698 原理框图Fig.7 Schematic diagram of AD698

图8 所示为基于AD698 的位移信号变送调理电路,对于输出形式为五线制或六线制的位移传感器,可将位移传感器次级线圈中心抽头直接或短接后接4点和地,对于输出形式为四线制的位移传感器,将位移传感器的交流输出信号接1 点、2 点。因为AD698内部的滤波器不能满足需要,故增加了二阶有源滤波器。信号发生器和零位及增益参数的计算同AD598。

图8 基于AD698 的位移变送器电路图Fig.8 The transmitter circuit diagram of displacement based on AD698

3.3.3 试验分析

由于位移传感器所用信号变送调理电路包括SE5521、AD698 及AD598 信号变送调理电路,故对上述三种信号变送调理电路进行试验,对影响位移传感器性能的温度、激磁电压、激磁频率等进行试验,并对试验结果进行分析比较。

(1) 常温试验

对同一台位移传感器,固定位移传感器拉杆位置,使信号调理电路直流输出为0 V,改变位移传感器的激磁电压及激磁频率,试验结果见表1。

从表1 中可以看出:对于AD598/AD698 信号变送调理电路,当改变信号变送调理电路激磁电压时,对输出影响较小,当改变信号变送调理电路激磁频率时,经芯片解调后输出的直流电压出现变化;对SE5521 信号变送调理电路,在改变外围电阻、电容时,激磁电压幅值几乎不随外加阻容改变,激磁频率改变时,直流输出变化较大,且该输出的变化比AD598/AD698 要大。故采用AD598/AD698 芯片可有效地消除激磁电压、激磁频率对位移传感器性能的影响。

表1 AD598/AD698 常温试验数据Tab.1 The experimental data of AD598/AD698 at normal temperature

(2) 温度试验

用同一台位移传感器与不同信号变送调理电路配对,置于温度箱内,并调节拉杆使位移传感器处于零位位置,调整温度箱温度,测量位移传感器的输出,结果见表2。

从表2 可以看出,位移传感器与AD598/AD698配对下,在温度影响下,位移传感器输出变化较小,其变化量远小于位移传感器与SE5521 配对形式。数据变化原因为位移传感器及信号变送调理电路在温度下数据变化累积。

表2 温度试验数据Tab.2 The experimental data at different temperatures

故对信号变送调理电路进行温度特性试验,试验方法是将信号变送调理电路放在温度环境中,位移传感器处于常温环境,结果见表3。

由表3 可以看出AD598/AD698 位移信号变送调理电路在温度环境下输出稳定,而表2 中输出发生变化的原因为位移传感器受温度影响导致;SE5521 位移信号变送调理电路在温度环境下出现较大变化,在于位移信号变送调理电路自身有较大温度漂移所致,造成传感器直流输出变化量较大,影响了位移传感器在全温域下的精度。

表3 芯片温度试验数据Tab.3 The experimental data of chips at different temperatures

故通过对表1～ 3 数据进行比对分析,采用AD598/AD698 位移变送器可有效地减小温度、激磁电压及激磁频率对传感器性能的影响,提高传感器性能稳定性,且采用AD598/AD698 位移变送器实现较为容易。

4 结论

位移传感器与传统的信号变送调理电路匹配,直流输出电压易受外界环境温度影响。为提高位移传感器在全温域范围内高精度要求,可采用热敏电阻改变位移传感器温度范围、自补偿差动变压器式位移传感器及改变位移传感器信号变送调理电路方法,其中采用热敏电阻虽能改变位移传感器在一定温度区域内的温度特性,但无法进行全温域补偿,故无法实现位移传感器全温域高精度要求;而自补偿差动变压器式位移传感器,通过在位移传感器次级线圈上增加一组完全对称的次级线圈,再辅以带除法功能的信号变送调理电路,可以降低温度对位移传感器性能稳定性的影响,但缺点是位移传感器绕线相对较麻烦。通过分析和试验验证,表明位移传感器配以AD598/AD698 信号调理芯片,能较好地解决传感器受环境温度影响的问题,从而可以提高传感器性能稳定性,采用该方法实现较为容易,且能保证位移传感器在全温域下高精度工作的要求。