一种LVDT传感器的制作方法

本申请涉及传感器领域，特别是涉及一种lvdt传感器。

背景技术：

图1(a)-图1(d)为现有技术提供的线性可变差动变压器式位移传感器(linearvariabledifferentialtransformer，lvdt)的绕线方式示意图，如图所示，现有技术中，lvdt传感器主要有二节式【图1(a)】、三节式【图1(b)】、四节式【图1(c)】、五节式【图1(d)】等四种绕线方式，其中四节式和五节式主要是为了改善lvdt的线性度，但从形式上看，这两种方式要牺牲长度。三节式工艺性好，但线性长度不如二节式，二节式是广泛应用于量程较长lvdt传感器的一种方式。但传统的二节式绕线方式存在一些问题：第一次级线圈4和第二次级线圈5是分开绕制的，即骨架2中心以左均绕制第一次级线圈4，骨架2中心以右均绕制第二次级线圈5，铁芯1在运动至中线之前，第二次级线圈5没有感应电压输出，而铁芯1越过中线后，第一次级线圈4没有感应电压输出，只有同一时间第一次级线圈4和第二次级线圈5都有感应电压输出时，lvdt传感器的输出才有意义，这就导致铁芯1必须保证时刻处于两个次级线圈的中线上，因此传感器至少要做成两倍量程的长度，才满足其量程需求，导致传感器的长度和体积很大。

鉴于上述现有技术，寻求一种既能保留传统二节式绕线方式线性范围大、灵敏度高的优点，又能解决二节式绕线方式铁芯无法越过中线的缺点的lvdt传感器是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种lvdt传感器，解决现有技术中铁芯无法越过中线的缺点，在同等量程下大大减小lvdt传感器的长度、体积及重量。

为解决上述技术问题，本申请提供一种lvdt传感器，包括铁芯、骨架、绕于所述骨架的初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈；

所述骨架的外侧面设置有多个用于同时绕制所述第一次级线圈和所述第二次级线圈的绕线部，从所述骨架的第一端至第二端的方向上所述绕线部上的所述第一次级线圈的线圈匝数以第一比例等比例增加，所述第二次级线圈的线圈匝数以第二比例等比例减少；其中，所述第一比例与所述第二比例互为相反数，且所述第一比例为正整数。

优选地，所述绕线部为凹槽且所述凹槽均匀分布。

优选地，所述第一次级线圈和所述第二次级线圈均包含有补偿部，用于绕制于所述前i个所述绕线部和后j个所述绕线部。

优选地，多个所述绕线部对应的测量量程大于所述lvdt传感器的设定量程。

优选地，所述骨架的空腔内的衔铁的端面有预设角度的倒角。

优选地，所述倒角为15度。

优选地，还包括外壳组件，所述骨架嵌套于所述外壳组件的内部。

优选地，所述凹槽的数量为偶数。

优选地，所述凹槽的深度大于所述凹槽内的所述初级线圈、所述第一次级线圈和所述第二次级线圈的高度之和。

优选地，所述lvdt传感器的输出由如下公式表示：

其中，l为所述铁芯偏移所述骨架中心的位移，ua为第一次级线圈的感应电动势，ub为第二次级线圈的感应电动势，b为零点偏移量，k为常数。

本申请所提供的lvdt传感器，包括铁芯、骨架、绕于所述骨架的初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，骨架的外侧面设置有多个用于同时绕制第一次级线圈和第二次级线圈的绕线部，从骨架的第一端至第二端的方向上绕线部上的第一次级线圈的线圈匝数以第一比例等比例增加，第二次级线圈的线圈匝数以第二比例等比例减少；其中，第一比例与第二比例互为相反数，且第一比例为正整数。应用以上技术方案，由于第一次级线圈和第二次级线圈是叠绕绕制的，没有了中线，在铁芯运动过程中的任意位置第一次级线圈和第二次级线圈均有感应电压输出，因此解决了现有技术中铁芯无法越过中线的缺点，在同等量程下大大减小了lvdt传感器的长度、体积及重量，使其应用场景更加广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为现有技术提供的二节式的lvdt传感器的绕线方式示意图；

图1(b)为现有技术提供的三节式的lvdt传感器的绕线方式示意图；

图1(c)为现有技术提供的四节式的lvdt传感器的绕线方式示意图；

图1(d)为现有技术提供的五节式的lvdt传感器的绕线方式示意图；

图2为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的工作原理图；

图4为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的骨架结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的骨架侧视图；

图6为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的磁场分布图；

图7为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的电势位移特性图；

图8为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的磁场分布图；

图9为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的电势位移特性图；

图10为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的倒角示意图；

其中，1为铁芯，2为骨架，3为初级线圈，4为第一次级线圈，5为第二次级线圈，6为外壳组件，7为衔铁，8为弹簧，9为顶杆，10为磁通回路，11为调节螺母。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

本申请的核心是提供一种lvdt传感器，解决现有技术中铁芯无法越过中线的缺点，在同等量程下大大减小lvdt传感器的长度、体积及重量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

图2为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的结构示意图。如图2所示，该lvdt传感器包括铁芯1、骨架2、绕于骨架2的初级线圈3、第一次级线圈4和第二次级线圈5；

骨架2的外侧面设置有多个用于同时绕制第一次级线圈4和第二次级线圈5的绕线部，从骨架2的第一端至第二端的方向上绕线部上的第一次级线圈4的线圈匝数以第一比例等比例增加，第二次级线圈5的线圈匝数以第二比例等比例减少；其中，第一比例与第二比例互为相反数，且第一比例为正整数。

在具体实施中，首先在骨架2上绕制初级线圈3，然后依次绕制第一次级线圈4和第二次级线圈5。当铁芯在线圈内移动时，改变了空间磁场的分布，从而改变了初、次级线圈间的互感量m，当初级线圈3供给一定频率的激励电压时，次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯1位置的不同，次级线圈产生的感应电动势不同，由此，将铁芯1的位移量转化成电压信号输出。

需要说明的是，由于铁芯1的运动轨迹是直线，所以输出的电压信号应该也是一条直线，这样的对应关系最简单直接。而铁芯1在移动过程中，lvdt传感器的输出电压与线圈匝数呈线性关系，因此第一次级线圈4和第二次级线圈5的在绕制时其线圈匝数也是等比例增加或者减少的。

为了更清楚的说明本实施例中的技术方案，本文给出一种情况下的第一次级线圈4和第二次级线圈5的线圈匝数表，如表1所示：

表1

其中，n1为第一次级线圈4的线圈匝数，n2为第二次级线圈5的线圈匝数。需要说明的是，表一示出的只是一种情况下的第一次级线圈4和第二次级线圈5的线圈匝数分布情况，在具体实施中，n的取值是任意的，位移x的取值范围也是任意的。

第一次级线圈4从骨架2的第一端至第二端按照n1＝kx+n的函数关系绕制，第二次级线圈从第一端至第二端按照n2＝－kx+n的函数关系绕制，其中x为线圈绕制的位置，k为第一比例，-k为第二比例，n为常数。第一比例与第二比例互为相反数，且第一比例为正整数，可以理解，本申请对于第一比例的具体数值不作限定，实际应用场景不同，具体数值也随之改变。

需要说明的是，本申请实施例所提到的绕线部可以是移动或固定设置于骨架2外表面的用于同时绕制第一次级线圈4和第二次级线圈5的结构，也可以是直接在骨架2的外表面挖的凹槽，本申请对于绕线部的具体结构不作限定。

本申请所提供的lvdt传感器，包括铁芯、骨架、绕于所述骨架的初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，骨架的外侧面设置有多个用于同时绕制第一次级线圈和第二次级线圈的绕线部，从骨架的第一端至第二端的方向上绕线部上的第一次级线圈的线圈匝数以第一比例等比例增加，第二次级线圈的线圈匝数以第二比例等比例减少；其中，第一比例与第二比例互为相反数，且第一比例为正整数。应用以上技术方案，由于第一次级线圈和第二次级线圈是叠绕绕制的，没有了中线，在铁芯运动过程中的任意位置第一次级线圈和第二次级线圈均有感应电压输出，因此解决了现有技术中铁芯无法越过中线的缺点，在同等量程下大大减小了lvdt传感器的长度、体积及重量，使其应用场景更加广泛。

lvdt传感器的输出由如下公式表示：

其中，l为铁芯1偏移骨架2中心的位移，ua为第一次级线圈4的感应电动势，ub为第二次级线圈5的感应电动势，b为零点偏移量，k为常数。

图3为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的工作原理图，在具体实施中，lvdt传感器的输出电压ua及ub均能独立与位移成确定函数关系。如果把初级线圈3、第一次级线圈4和第二次级线圈5这三组线圈看成无限长螺线管，则可以将通过铁芯1的磁通回路10理想为图3所示样式，第一次级线圈4参与藕合的线圈匝数为n1，第二次级线圈5参与耦合的线圈匝数为n2，设定向左为正，铁芯1跨越的次级线圈匝数和为2n，则铁芯1偏移骨架2中心的位移l可表示为：

l＝k×(n1-n)×u或者l＝k×(n-n2)×u

其中，k为常数，u为激励电压。

上述两式相加，可进一步表示为：

l＝k×(ua-ub)×u

考虑到ua、ub为差动变化，(ua+ub)＝ku，为了消除激励电压u的影响，lvdt传感器的实用解析式为以下两种：

对于确定的lvdt传感器而言，k是一个常数，能够准确解析出铁芯1偏移骨架2中心的位移l。根据主机的规范，传感器解析式可在式(1)和式(2)中任选一个。考虑到产品的宽温工作条件，本申请选择式(2)表示lvdt传感器的输出。以下是具体分析过程：

设铁芯1内部磁通为φ，根据电磁感应原理，对于单匝线圈有

又有φ＝n×b×μ×i＝k×i(3)

i＝usin(ωt)/z

其中，b为磁感应强度，t为时间，μ为系数，i为电流，z为初级线圈3的阻抗。

将上述三个式子合并，表示为：

(ua-ub)＝(n1-n2)×k×u×cos(ωt)/z

对于式(1)则变化为：

l＝k×(n1-n2)/z(4)

从式(4)来看，位移l与阻抗z成反比例关系，对于线圈来说，电感会随着温度升高而变大，使用的漆包线的电阻也会随着温度升高而变大，因此lvdt传感器会表现出较强的温漂。

在式(3)中，k＝n×b×μ，μ也会随着温度变化而变化，即具有非线性的特征，而式(3)由于式(1)得出，因此，式(1)不适合宽温工作条件。

引入函数f(t)，设f(t)表示次级线圈输出随着温度变化的关系，即有表达式：

ua＝f(t)×n1×uub＝f(t)×n2×u

则式(2)可表达为：

由式(5)可知，在适应温漂上，式(2)更合适，该式中因温度及激励电压u产生的电气变化已被相互抵消，输出仅与第一次级线圈4和第二次级线圈5的线圈匝数比有关。

需要说明的是，式(2)是以骨架2的中心为零点进行说明的，当初始位置不在中心位置时，表达式为：

其中，b为零点偏移量。

本申请所提供的lvdt传感器，其输出仅与第一次级线圈4和第二次级线圈5的线圈匝数比有关，减小了lvdt传感器在工作过程中由于温漂而带来的误差，使其应用场景更加广泛

图4为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的骨架结构示意图，图5为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的骨架侧视图。在上述实施例的基础上，作为一种优选地实施例，绕线部为凹槽且凹槽均匀分布。

在具体实施中，为了更好地控制绕线的均匀性，使得绕线能方便地适应设计要求，本申请将骨架2的外表面均匀挖槽，如图4所示，将骨架均匀分成了20槽，然后通过机加的方式来控制各凹槽的位置和尺寸，从而有效实现绕线均匀性。

需要说明的是，本申请对于凹槽的数量不作限定，图4中仅示出一种应用场景下的划分，在具体实施中，可以根据具体情况进行划分。

此外，作为一种优选地实施例，凹槽的数量为偶数。

在具体实施中，骨架2的材料一般为聚苯硫醚纤维材料(pps)，根据pps的材料特性，骨架2比较长时，不能很好的保证lvdt传感器的精度，因此可以通过两个小型骨架2拼接的方式保证槽的均匀性，因此，这里凹槽的数量为偶数。当然，也可是使用陶瓷等更好的材料来保证骨架均匀性，此处不作限定。

可以理解，凹槽的深度大于凹槽内的初级线圈3、第一次级线圈4和第二次级线圈5的高度之和。即线圈高度不能高于骨架2，否则无法保证绕线的均匀性，造成lvdt传感器精度下降。

上述说明中，把线圈看成了无限长螺线管进行分析，然而在具体实施中，骨架长度是有限的，线圈长度更是有限。图6为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的磁场分布图，把磁通回路10近似成图6所示的样式，如图6所示，铁芯1居中时，各磁通回路10均能可靠工作；铁芯1在两端时，远端和近端磁通回路10不能有效地在线圈中感应出电压，图7为本申请实施例提供的一种lvdt传感器的电势位移特性图，如图7所示，lvdt传感器的输出特性在两端时是非线性的，基于此，本申请实施例所提供的第一次级线圈4和第二次级线圈5均包含有补偿部，用于绕制于前i个绕线部和后j个绕线部。

图8为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的磁场分布图，图9为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的电势位移特性图。在具体实施中，在上述实施例的基础上，在骨架2的端头采用塔形绕线的方式在绕线方式上进行补偿，即在骨架2的两端的绕线部上多绕几圈第一次级线圈4和第二次级线圈5，多绕的线圈匝数不作限定，只要能够使得lvdt传感器的输出特性在所需量程范围内都是线性的即可，具体的电势位移特性图如图9所示。

上述说明中采用塔形绕线的方式在绕线方式上进行补偿从而使得传感器的输出保持在线性范围内。在具体实施中，作为一种优选地实施方式，还可以使得多个绕线部对应的测量量程大于lvdt传感器的设定量程。即在满足设定量程的需求的基础上，在骨架2两端的绕线部上预留一部分余量，使得设定量程内的线圈都处于骨架2中心，使得lvdt传感器的有效工作区间保持在其输出的线性区间内。

本申请所提供的lvdt传感器，采用在骨架两端多绕次级线圈或者在骨架两端的绕线部上预留一部分余量的方式，使得lvdt传感器的有效工作区间保持在其输出的线性区间内，提高了lvdt传感器的输出精度。

图10为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的结构示意图。如图10所示，在上述实施例的基础上，lvdt传感器还包括外壳组件6，骨架2嵌套于外壳组件6的内部。骨架2的空腔内的衔铁7的端面有预设角度的倒角。图11为本申请实施例提供的另一种lvdt传感器的倒角示意图。如图11所示，倒角为15度。

lvdt传感器还包括弹簧8，接下来对弹簧8设计的具体过程进行说明。

弹簧8参数确定：

当顶杆9处于完全伸出状态时，弹簧8处于最长长度为76.50mm。由计算经验取弹簧8中径d为6.5mm、丝径d为0.8mm、有效圈数n为50圈，为了最大利用弹簧8的有效长度，采用两端不并紧不磨平弹簧8。

弹簧8压并高度hb＝(n+1)d＝(50+1)×0.8＝40.8mm；

lvdt传感器最大压缩量：76.5-40.8＝35.7mm；

35.7mm＞28mm，故能满足测量量程需求。

通过查阅标准弹性合金3j21的切变模量g和弹簧8不锈钢丝接近,取切变模量g＝71000mpa；

弹簧8取最小压缩量x1为12mm。

已知弹簧8刚度系数k＝(gd4)/(8nd3)＝0.265；

即最小工作载荷p1＝kx1≈3.18n；

已知弹簧8工作过程中最大位移量为28mm，故弹簧8最大压缩量xn为40mm，即最大工作载荷pn＝kxn≈10.59n。

抗冲击性验算：

通过solidworks模拟计算出顶杆组件(含调节螺母11、顶杆9、衔铁7)重约19.86g，前面计算得知当弹簧8处于最小压缩状态时力最小为3.18n。

通过牛顿第二定律f＝ma，a＝f/m＝3.18n/(19.86×10－3)kg≈160m/s²，取g＝9.8m/s²，a＝16.3g，该弹簧8能承受16.3g的加速度。

弹簧8稳定性验算：

根据弹簧8设计手册，高径比b较大的压缩弹簧8，当轴向载荷达到一定值时就会产生侧向弯曲而失去稳定性。为了保证稳定性，高径比b＝h0/d应满足下列需求：

两端固定：b≤5.3；

一端固定一端回转：b≤3.7；

两端回转：b≤2.6；

y/ge-280弹簧8属于两端固定弹簧8：高径比b＝(76.5+12)/6.5≈13.6＞5.3，因为高径比大于5.3，故按下式进行验算：pc＝cbp'h0＞pn。

其中，pc为弹簧8临界载荷，cb为不稳定系数，p'为弹簧8刚度，pn为最大工作载荷。

查阅弹簧8设计手册，cb取0.06。

已知c＝d/d＝8.125，p'＝(gd)/(8c4n)＝0.265，pc＝0.05*0.265*40.8≈0.65＜10.59，故此时应该设置导杆或导套。

根据弹簧8设计手册，导杆、导套与弹簧8内外径的间隙值应该取1～2。已知弹簧8外径为6.5+0.8＝7.3，故单边间隙为(10.2-7.3)/2＝1.45，故lvdt传感器内部结构可作为弹簧8的导套。为了保证弹簧8的特性，高径比应大于0.4。13.6＞0.4故能保证弹簧8的特性。

同时在衔铁7端面加工了15°的倒角，进一步避免弹簧8在工作过程中弯曲变形时发生干涉。

强度验算：

根据弹簧8设计手册，绕旋比c＝d/d＝8.125；

曲度系数k＝(4c-1)/(4c-4)+0.615/c≈1.181；

故最大工作载荷所产生的最大切应力τmax＝(8kdpn)/(πd3)≈404.69mpa；

最小工作载荷所产生的最大切应力τmin＝(8kdp1)/(πd3)≈118.35mpa；

根据机械设计手册，弹簧8不锈钢丝10万次寿命的弹簧8切应力τ0应小于0.35σb，冷拉钢丝材料的抗拉强度σb是不低于1274mpa；

τ0＝0.35*1274＝445.9mpa＞404.69mpa＞118.35mpa，零件经时效处理后的抗拉强度可达到1900mpa。

对受循环载荷的弹簧8进行疲劳强度计算：

安全系数s＝(τ0+0.75τmin)/τmax＝1.326；

查阅机械设计手册第五册许用安全系数为1.3～1.7，故能满足10万次的循环工作次数。

以上对本申请所提供的lvdt传感器进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。