某控制系统的非线性位移传感器分析研究

杨海舰

摘 要： 线性差动变压器式位移传感器（Linear Variable Differential Transform，LVDT）是一种测量直线位移的装置，由于其精度高、线性度好、体积小、环境适应性强等特点被广泛应用于航空、航天等领域。LVDT产品一般是利用其位移和输出的线性关系进行工作，在某特定的控制系统中需要LVDT实现非线性的控制，对该系统非线性控制的LVDT进行分析研究，提供一种非线性的LVDT产品设计实现方式。

关键词： 非线性 线性差动变压器式位移传感器 航空航天 产品设计

中图分类号： TP393文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）01-0015-03

线性差动变压器式位移传感器（Linear Variable Differential Transform，LVDT），简称线位移传感器，是一种将机械变量转变为电信号的检测元件，可以测量活门的行程，并将活门的机械位移信号转换为与机械位移信号成线性关系的电信号输出给电子控制器[1-2]。LVDT工作方式采用的是线圈的电磁感应原理，具有体积小、环境适应性强、使用寿命长、精度高、反应灵敏等特点，被广泛应用于航空航天等领域。

一般而言，LVDT类型的产品利用的是其直线位移运动时输出电压的线性关系进行反馈控制，即在LVDT的电气有效行程内，任意位移点都可以用输出电压和斜率的比值进行表示，对于控制系统而言，用输出电压值定义LVDT运动部件的位移量，完成了机械变量和电信号的转化[3-5]。本文所述的非线性位移传感器是用于有特定需求的控制系统，不要求全行程控制，而是要求具体位移点的控制，并且这些位移点与输出电压之间不呈线性关系。本文对该控制系统非线性要求的LVDT进行分析研究，提供一种能够实现这种非线性功能的LVDT产品设计思路和方式。

1 实现思路分析

为实现LVDT的非线性输出，需要从线性输出LVDT上作出改进，主要改进点在于线圈的结构及排布上。图1为一般LVDT产品的线圈结构简图，激励线圈接入电压信号后，基于电磁感应原理，输出线圈因铁芯的运动产生感应电压，输出线圈1和输出线圈2会各自输出一组电压，选取两者的差比和值作为输出电压。

由于输出线圈1和输出线圈2的长度、直径、面积、线径、匝数等参数一致，且从图1的线圈的排布结构来看，铁芯在运动中所切割的磁感应线也是一致的，输出电压随着铁芯运动切割磁感应线产生线性变化，这就导致了电气行程范围内的铁芯运动位移量和输出电压呈线性关系。

图2为一般LVDT产品的铁芯位移量和输出电压变化图，可以看出铁芯位移量和输出电压的关系趋近于一条直线。图3为某控制系统要求的LVDT产品位移和输出电压关系，其为非线性控制，其关系非直线也非可控曲线，而是控制单点输出电压，以零点为轴线，其输出电压绝对值呈对称关系。

为实现非线性的输出，对线圈结构作出更改分析。激励线圈需要整层排布，面积固定，线径、匝数的改变不会对输出的线性关系产生影响，因此不对激励线圈作出改变，非线性位移传感器和线性位移传感器的激励线圈保持一致。

要实现非线性的输出，只能对输出线圈的各项参数进行更改调整，这里对输出线圈的长度、直径、截面面积、漆包铜圆线线径、匝数等方面参数进行分析。输出线圈1和输出线圈2的长度需要保持一致，如果不一致，铁芯在运动时与输出线圈1和输出线圈2的感应面积不同，会导致输出电压绝对值以零点为轴不对称；输出线圈1和输出线圈2的直径调整可以影响输出电压的线性关系，但为保证输出电压的对称性，输出线圈1和输出线圈2的直径调整需要以两者接触面为轴保持对称，即输出线圈1和输出线圈2的直径调整需要同步调整；输出线圈的截面面积调整可以影响输出电压的线性关系，在某行程点增加或减少截面面积会改变其磁场强度，进而改变该行程点的输出电压，改变其线性度，截面面积的变化可以通过绕线实现，增加或减少的截面面积需要保持对称；从漆包铜圆线的线径来说，如果所有线圈一起调整线径大小则对线性关系无影响，如果单独对某线圈进行调整，其操作不便也难以控制对称度；增加或减少线圈匝数可以影响输出电压的线性关系，效果和截面面积调整是一致的。

此外，在输出线圈内侧或者外侧增加补偿线圈也可以影响输出电压的线性关系，内侧增加补偿线圈会增加绕线工艺的难度，不建议采用；外侧增加补偿线圈易于操作，在需要控制的位移点增加补偿线圈，可以较为精准地控制该点的输出电压值。输出线圈1和输出线圈2以零点为轴进行阶梯状排布也是一种较好的实现非线性输出方式，通过对阶梯高度、长度、台阶数的调节，对于控制位移点的输出电压也有很好的效果。

2 实现方式

LVDT产品的输出电压是线圈结构中零件材料、线圈匝数、线圈排布、铁芯尺寸、线圈大小、线圈组合方式、漆包铜圆线线径、输入电压等多种参数综合作用而确定的，改变其中一项势必会影响其他参数，进而会影响预期输出电压的调整效果。为达到某控制系统需要的位移传感器非线性控制效果，结合本文的思路分析，实现方式主要从线圈排布、阶梯结构和补偿结构进行阐述。

2.1 线圈排布

非线性位移传感器的线圈排布和线性控制位移传感器基本一致，激励线圈绕制在线圈架的第一层，呈满层布局，排满线圈架的底层，只要求其层数、绝缘和整齐性。在激励线圈外侧是两组输出线圈，分别为输出线圈1和输出线圈2（见图1），两组输出线圈以接触面为轴呈对称结构。为实现非线性输出，在图1的结构之上增加了补偿线圈，补偿线圈在输出线圈的外侧。

2.2 阶梯结构

某控制系统使用的非线性位移传感器的线圈阶梯结构如图4所示。为便于显示表达，图4相比图1去除了外部线圈架、铁芯等零件，并且只截取了上半部分。如图4所示的阶梯结构是在图1的结构上改进而成，将其输出线圈1和输出线圈2的整层结构更改为阶梯结构，输出线圈1由台阶A1、台阶A2、台阶A3、台阶A4、台阶A5等组成，输出线圈2由台阶B1、台阶B2、台阶B3、台阶B4、台阶B5等组成。阶梯台阶层数可以根据位移控制点的数量要求进行相应增加或减少；台阶长度可以相应增长或减短，但是上层台阶长度应不超过下层台阶长度；台阶的高度（绕线层数）可以相应增高或减矮，但至少需要铺满一层漆包铜圆线，具体由绕线空间的高度进行调节，台阶位置可以根据位移行程点输出电压值的需要进行调整。阶梯式输出线圈需要保证以其接触面为轴呈对称结构。

通过阶梯结构线圈的阶梯层数、阶梯长度、阶梯高度的各种变化组合，可以实现某位移点输出电压的控制，实现某控制系统所要求的非线性控制。

2.3 补偿结构

某控制系统使用的非线性位移传感器的线圈补偿结构如图4所示。本文所示补偿结构增加了几组线圈，分别为补偿线圈D1、D2、D3、D4、D5等，其中D1所处位置为两组输出线圈的正中心；其余补偿线圈可以任意排布在线圈结构的其他位置，具体由位移行程点输出电压值的需要进行调整。补偿线圈的排布需要保证以两输出线圈接触面为轴呈对称结构。

通过补偿线圈的排布、匝数、长度等参数的各种变化组合，可以实现某位移点输出电压的控制，实现某控制系统所要求的非线性控制。

3 结语

在确定了阶梯输出线圈和补偿线圈的线圈结构之后，还需要结合仿真工具进行验证，计算出各阶梯结构层数、长度、高度对输出电压的影响，计算出补偿线圈1和补偿线圈2对输出电压的具体控制数值，计算输出线圈1和输出线圈的电压输出值是否对称等，综合考量设计的线圈结构及各类参数是否能够满足控制系统的非线性输出具体要求，在仿真计算中能够达到控制系统要求后再进行线圈绕制，进而验证。本文提出了一种可以实现非线性位移传感器的设计思路和方式，通过对一般LVDT产品线圈结构的改进，增加了阶梯线圈结构、增加了补偿线圈结构，实现了特定行程位移点的输出电压控制，实现了铁芯位移量和输出电压的非线性输出，可以达到某控制系统某位移点的非线性控制要求。

参考文献

[1]巩强令.LVDT线位移传感器测量电路设计与非线性问题研究[D].西安：陕西科技大学，2021.

[2]金映丽，刘雨时，闫明等.自适应起落架多传感器协同控制系统[J].沈阳工业大学学报，2023，45（6）： 666-671.

[3]成斌.LDM-1000型线性可变差动变压器控制转换模块的调试[J].上海电气技术，2019，12（3）：27-32.

[4]张菡，薄涵亮，王帅，等.电容式位移传感器的非线性拟合比较[J].电子技术应用，2019，45（9）：89-92，96.

[5]张晓宇，陈凡.直线型位移传感器优化仿真设计[J].自动化技术与应用，2023，42（12）：38-40，61.