电液执行器位移传感器的选用分析与试验

袁吉胜，王娜娜，段绪伟

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

电液执行器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）是一种集机、电、液一体的新型电液传动系统，相较于传统的EH油系统，去掉了复杂的管路，改善了设备的可维护性。电液执行器由本体部分和控制箱2部分组成，伺服电机接受控制模块的功能指令，控制动力头部分及油缸部分，以线性位移大力矩输出驱动被控对象，同时通过自身位移反馈，完成调节过程，实现各种功能控制。控制精度是衡量其性能的重要指标之一，因此执行器位移的输出精度尤为重要。执行器常用的几种位移传感器有LVDT、电位计、磁致伸缩位移传感器，本文根据电液执行器的各项性能要求对位移传感器的选用进行了技术研究、参数及结构对比和试验验证[1]。

1 电液执行器位移传感器选用分析

1.1 电液执行器控制原理及关键指标

如图1所示，控制系统对给出的指令信号与执行器的位移反馈信号进行运算比较，当位移反馈信号与指令输出位置有偏差时，控制系统发出指令给伺服电机，电机运转驱动泵，输出流量、压力信号给控制阀组，控制油缸运动位置的变化，油缸的运动位置与位移传感器成线性关系，直至位置符合输入指令要求[2]。

图1 系统示意图

电液执行器定位精度要求小于全行程的0.3%，通过对电液执行器控制原理的解读可知，控制箱参数设置、控制器硬件和执行器的位置检测装置的精度直接影响了执行器的精度，同时由于应用现场环境的影响，电液执行器元器件的选型需满足电磁兼容等规定和要求，另外受安装空间限制，应尽量减小电液执行器本体设备体积。

1.1 各位移传感器原理分析

1.1.1 LVDT 传感器测量原理

LVDT是一种常见类型的机电传感器，可将以机械方式耦合的物体的直线运动转换为对应的电气信号。

其由1个初级线圈、2个次级线圈、铁芯、线圈骨架和外壳等部件组成，见图2。

图2 LVDT 结构图

初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间位置时，2个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，2个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。

为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将2个线圈反串相接、2个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是2个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系[3-4]。

1.1.2 电位计位移传感器测量原理电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化，是一种机电传感元件。图3为电位计位移传感器的结构及工作原理。图3中：R为长度为l的电阻元器件阻值；RL为随电刷位移x而变化的阻值。在一定电源e和负载RL情况下，电刷位移x处的电位器输出电压V0为

图3 电位器式位移传感器结构原理

位移传感器与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。

1.1.3 磁致伸缩位移传感器测量原理磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩原理、通过2个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。见图4。

图4 磁致伸缩位移传感器结构原理

由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更无需定期重标。

1.2 位移传感器选用分析

从位移传感器的线性度分析，一般磁致伸缩位移传感器的线性度可实现＜0.1%，且不存在信号漂移或变值的情况，测量精度最佳，但是短量程准确度低；电位计位移传感器线性度正常为＜0.5%，特殊定制最高可＜0.1%；LVDT线性度＜0.5%。

从体积及重量看，磁致伸缩位移传感器一般内置于油缸，占用体积大；LVDT采用的是绕绕变压器的结构，因此往往体积大，重量轻；电位计位移传感器结构简单紧凑，重量最轻便。

从外界干扰看，LVDT和磁致伸缩位移传感器对杂散磁场敏感，因此使用时需要考虑，保护它们免受杂散磁场的影响。位移传感器对比见表1。

表1 位移传感器对比

根据对比，依据前文提到的电液执行器的性能及结构要求，故在电液执行器系统中选用电位计位移传感器作为其位置反馈元件。

2 试验方案

2.1 测试方案

为了验证选用的电位计可靠性，进行了试验验证，见图5，电位计位移传感器内置于执行器油缸缸筒内，活塞杆与电位计通过安装板相连，电位计转接电路板采用内部走线，并且线缆采用屏蔽电缆，提高抗电磁环境能力，且结构紧凑，满足结构空间设计要求。

图5 电位计安装示意

电液执行器合上电控箱电源开关，在电控箱操作面板标定后进行增减阀门指令，观察是电液执行器否能够跟随指令动作；动作正常后，进行定位精度测试，采取多点、多次测量并取最大差值作为控制精度的测量方法。首先，执行3次电液执行器开的过程，分别输入电液执行器控制指令为0、25%、50%、75%和100%，记录电液执行器的开度百分比；其次，执行3次电液调执行器关的过程，分别输入电液执行器的指令为100%、75%、50%、25%和0，记录电液执行器的开度百分比。计算各控制指令与开度百分比之差的绝对值，最大的偏差即为定位精度。

2.2 试验结果及分析

电液执行器定位精度测试数据见表2。

表2 电液执行器定位精度测试数据

从表2可知，选用的电位计位移传感器可满足电液执行器的控制需求。

3 结论

通过将电位计位移传感器内置于执行器油缸缸筒内，活塞杆与电位计通过安装板相连，电位计转接电路板采用内部走线，并且线缆采用屏蔽电缆的方案。通过最终试验数据对比，电位计传感器比LVDT、磁致伸缩传感器更适用于电液执行器位移传感器。