专利名称：一种差动变压器式线位移传感器及其制造使用方法
技术领域：
本发明涉及位移传感器领域，具体涉及一种差动变压器式线位移传感器及其制造使用方法。
背景技术：
差动变压器式线位移传感器如图1所示，主要包括有中心设置的衔铁1、骨架3、初级绕组4、次级绕组一 5、次级绕组二 6和外壳2。初级绕组4与次级绕组一 5、次级绕组二 6间的耦合能随衔铁1的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。初级绕组4 匝数为Wi ；次级绕组一 5匝数为Wa ；次级绕组二 6匝数为Wb。当衔铁1移向次级绕组二 6 —边，这时互感Wb增大，Wb绕组产生互感电动势Vb增大，而互感Wa减小，Wa绕组产生互感电动势Va减小，因而次级绕组Wb的感应电动势Vb大于次级绕组Wa的感应电动势Va，这时差动输出电动势Vab (Va-Vb)不为零。在线位移规定量程内，衔动移越大，差动输出电动势Vab就越大。同样道理，当衔铁1向次级绕组一 5—边移动，差动输出电动势也不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势Vab(Va-Vb)反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和正负可以知道衔铁1位移量的大小和方向。根据线位移传感器的工作原理，针对产品本身的一些特点在研制过程中必须具有很强的针对性，基本以原理简述如下根据传感器的工作要求在传感器的初级绕组4输入端(即激励电源)加入额定正弦波信号，按照电磁感应定律，次级绕组一 5和次级绕组二 6上会产生感应电动势。而线位移滑动时二个次级绕组的感应电动势也随之相应变化。由于传感器的二个次级绕组为反向串接，二个次级绕组感应电压反向变化，当一端电压值升高时另一段在降低。而当二个次级绕组感应电压输出值相同时，我们把此时衔铁移动的位置称为“零位”，“零位”是唯一的。当“零位”位置找准后，分别以此位置为中心将线位移向前后分别滑动相同距离， 然后测量二个次级绕组电压值进行检测。传感器在以“零位”为基准前后移动绝对值相同的位移量时，二个次级绕组的输出的电压值应大小相等，方向相反。差动变压器式线位移传感器的发展大致可以分为两大阶段，阶段划分界点是以传感器的绕制方式发生变化而区分。1)最早期的差动变压器式线位移传感器的绕制方式如图2。初级绕组4缠绕在骨架3中间，次级绕组一 5和次级绕组二 6分别以初级绕组4 的二个端面向骨架3两端平铺，此种线圈绕制方法被称为三节螺管式，其最大特点是在其它参数相同时，输出的分辨力和灵敏度变化率小，测量精度低。当衔铁1位移量较小时线性度较好，但线性量程小，且线性范围一般约为骨架3长度的1/5 1/10，随着位移量增大，线性度数值显著增加，当位移量与机械行程相同时，非
4线性度最大。初级绕组4匝数为Wi ；次级绕组一 5匝数为Wa ；次级绕组二 6匝数为Wb。Uax 为次级绕组一 5电动势；Ubx为次级绕组二 6电动势；Uox为Uax-Ubx0如图3中的线性度量程较好的范围是_a a的距离。2)经过创新后，第二阶段差动变压器式线位移传感器的绕制方式如下。初级绕组平铺，次级绕组以骨架中点位界向两端平铺，如图4所示，此种线圈绕制方法被称为二节式，其最大特点是在其它参数相同时，输出的分辨力和灵敏度变化率大，线性量程增加，可以达到机械行程的1/2。二节式差动变压器传感器输出特性如图5。初级绕组4匝数为Wiy ；次级绕组一 5匝数为Way ；次级绕组二 6匝数为^y。Uay 为次级绕组一 5电动势 ’Uby为次级绕组二 6电动势；Uoy-Uay-Uby。如图3中的线性度量程较好的范围是-C c的距离。下面针对目前市场上流行的线位移产品，存在着以下不足1)微型化存在较大困难如图5所示，次级绕组Way的中间位置到次级绕组Wby的中间位置是线位移的线性度最好的一段量程。也就是说，无论采取哪种绕线方法，差动变压器线位移传感器的线性度范围相对较小，其线性量程是机械量程的一半。即若要线位移的线性量程是10cm，则机械行程就要不小于20cm，如此这样，则无法实现差动变压器式线位移传感器的微型化。2)对输出信号无法进行检测由上述可知，差动变压器式线位移传感器主要包括有衔铁1、初级绕组4和次级绕组等。次级绕组一 5和次级绕组二 6的电压(Va和Vb)由初级绕组4耦合得来，且两个次级绕组的电压能随衔铁1的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。当衔铁 1处于中间位置时，两个次级绕组由互感而产生的一切变化相同，因而由激励引起的感应电动势相同(Va = Vb)。由于两个次级绕组反向串接，所以差动输出电动势为零，此时的位置称为传感器的零位。由于传感器的二个次级绕组为反向串接，二个次级绕组感应电压反向变化，当一端电压值(Va)升高时另一端电压值(Vb)在降低。其电压差值Vo (Va-Vb)就是差动变压器式传感器的输出值。因此通过测量、计算Vo的正负和大小，就可以知道衔铁移动1的方向和距离。目前这种用二个次级绕组的差值来计算举例说明，一个线性量程为士 IOOmm的差动变压器式线位移传感器。在零位时Va 和Vb的输出电压相同，均为10V，若衔铁1每移动1mm，Vo输出变化量50mV，则Va和Vb的变化量为25mV，假设向左移动时，Va增大，Vb减小，则当衔铁1向左移动IOmm时，Va的电压输出值应为10. 25V，而Vb的电压输出9. 75V，则Vo的电压值为0. 5V。当衔铁向左移动 90mm时，Va的电压输出值应为12. 25V，而Vb的电压输出7. 75V。则Vo的电压值为4. 5V。 同理衔铁1向右移动10mm，则Vo的电压值为-0. 5V。当衔铁1向左移动90mm时，则Vo的电压值为-4. 5V。通过上述可知，在士 IOOmm的行程内，通过测量Vo的电压值，就可以知道衔铁1的
移动方向和距离。但是，上述常用的计算方法有一个明显的缺点就是对偶发干扰无法进行判别，也就是说，如果Va或Vb受到干扰发出错误的信号，则计算出来的位移量也是不准确的。还以上面的例子进行说明，假设衔铁向左移动了 50mm，则此时Va应该输出11. 25V，则此时Vb应该输出8. 75V，则Vo的电压值为2. 5V。但是若Va受到影响输出电压为13V，而Vb输出不变，这时Vo的电压值为4. 25V。这样计算出来的位移量为衔铁向左移动了 85mm，与实际行程有较大的误差。而本发明的计算方法可以很好的克服上述现象带来的影响。。市场急需一种结构简单，微型化并且测量更加准确的差动变压器式线位移传感器。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种结构简单，微型化并且测量更加准确的差动变压器式线位移传感器及其制作方法。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种差动变压器式线位移传感器， 包括有衔铁、骨架、初级绕组、次级绕组一和次级绕组二，外层设置有外壳，其特征在于所述次级绕组一和次级绕组二之外设置有补偿绕组一和补偿绕组二 ；所述次级绕组一和次级绕组二反相，所述补偿绕组一和次级绕组一同相，所述补偿绕组二和次级绕组二同相；所述次级绕组一和次级绕组二匝数相同，补偿绕组一和补偿绕组二匝数相同；次级绕组一末端与补偿绕组二末端相连，次级绕组二起始端与补偿绕组一末端相连；补偿绕组一起始端与补偿绕组二起始端相连作为公共端。所述补偿绕组一和补偿绕组二匝数小于次级绕组一和次级绕组二匝数。所述骨架为空心圆柱，骨架中心外侧设置有凸台一，骨架两端外侧设置有凸台二。所述衔铁由端部的拉手，与所述拉手连接的无磁性合金柱，与所述无磁性合金柱焊接的坡莫合金柱组成。所述外壳为不锈钢外壳。制造差动变压器式线位移传感器的过程，包括以下步骤(1)加工骨架和衔铁；(2)绕线选用漆包线绕制线圈，初级绕组由漆包线平绕整个骨架，次级绕组一和次级绕组二分别平绕在骨架的两边，补偿绕组一和补偿绕组二绕在次级绕组上端，绕线紧密平整，保持次级绕组一和次级绕组二，以及补偿绕组一和补偿绕组二的对称性；(3)接线初级绕组的起始端与末端分别为电源的正极和负极；次级绕组一末端与补偿绕组二末端相连，次级绕组二起始端与补偿绕组一末端相连；补偿绕组一起始端与补偿绕组二起始端相连作为公共端；(4)绕组调节调节补偿绕组一和补偿绕组二的起始端与末端的长短位置进行粗调；粗调合格后，将绕制好的骨架套上外壳，将骨架压紧进入精调，将线圈引出，再进行测试，根据测试结果再次调节补偿绕组一和补偿绕组二的长短，使其灵敏度满足要求；
(5)初级绕组4、次级绕组一 5、次级绕组二 6、补偿绕组一 7和补偿绕组二 8的固定精调后的绕组线圈每个线头先用硅胶固定，待胶完全固化后，绕组线圈外表面绕棉线， 然后用绝缘漆将其刷湿，放入高温箱固化取出。一种差动变压器式线位移传感器的使用方法，其特征在于次级绕组一与次级绕组二的起始端分别为Va与Vb ；计算Va+Vb合值是否在规定范围内，判断产品是否发生偶发故障；传感器输出值是
(Va - Vb )V0 =---
° (Va +Vb)灵敏度
(Va - Vb )κ _ (Vg + Vb )
_ X式中X为产品行程；Va或者Vb突然变大，这时Va+Vb的合值大大增力卩，通过比较Va+Vb的合值，判断此时线位移输出不正常，这时将延长输出电压的采样时间，对输出信号进行多次采用并相加， 若输出合值依然很大，则可以判断产品本身发生故障；若输出合值恢复到正常范围之内，则可以判断刚才的输出信号为故障信号，系统将不予采纳。本发明与现有技术相比具有以下优点。1、本发明采用新的绕线方式，使差动变压器式线位移传感器的机械行程和线性量程基本相同。2、在相同生产条件下，本发明可以较大提高产品的精度和线性度。3、通过对次级线圈和补偿线圈匝数的调整，可有效调整产品的灵敏度系数。4、通过监测两个次级绕组输出电压的合值，对输出信号的正确性进行有效判断， 减少了测量误差。
图1为差动变压器式传感器的原理图。图2为三节螺管式差动变压器传感器线圈绕制示意图。图3为三节螺管式差动变压器传感器输出特性。图4为二节式差动变压器传感器线圈绕制示意图。图5为二节式差动变压器传感器输出特性。图6为本发明差动变压器式线位移传感器结构示意图。图7为本发明差动变压器式线位移传感器线圈接线图。图8为差动变压器式线位移传感器的骨架实例图。图9为差动变压器式线位移传感器的衔铁实例图。图10为差动变压器式线位移传感器的输出特性。附图标记说明
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1-衔铁；2-外壳；3-骨架；4-初级绕组；5-次级绕组一；6-次级绕组二 ；7-补偿绕组一；8-补偿绕组二 ；9-凸台一；10-凸台二11-拉手；12-无磁性合金柱；13-坡莫合金柱；
具体实施例方式下面通过绕制一个量程为士40mm，灵敏度为0. 05，线性度为0. 5%的差动变压器式线位移传感器进行实例说明。如图6所示，差动变压器式线位移传感器包括有中心设置的衔铁1、衔铁1外围的骨架3，骨架3上缠绕初级绕组4，初级绕组4外层设置次级绕组一 5和次级绕组二 6。次级绕组一 5和次级绕组二 6之外设置有补偿绕组一 7和补偿绕组二 8，次级绕组一 5和次级绕组二 6反相，补偿绕组一 7和次级绕组一 5同相，补偿绕组二 8和次级绕组二 6同相。次级绕组一 5和次级绕组二 6匝数相同，补偿绕组一 7和补偿绕组二 8匝数相同。补偿绕组一 7和补偿绕组二 8匝数小于次级绕组一 5和次级绕组二 6匝数。差动变压器式线位移传感器包括以下生产步骤①前期准备加工骨架3和衔铁1。骨架3为空心圆柱，骨架3中心设置有凸台一 9，骨架3两端设置有凸台二 10。衔铁1包括端部的拉手11，与拉手11连接的无磁性合金柱12，与无磁性合金柱12焊接的坡莫合金柱13。②线圈的绕制选用0. 07mm的漆包线绕制线圈。在绕线前，需将骨架3用酒精清洗干净。初级绕组4由线圈平绕整个骨架五层，共6600圈左右。次级绕组一 5和次级绕组二 6分别平绕在骨架的两个分隔区域，共1480圈左右。补偿绕组一 7和补偿绕组二 8为420圈左右。调节补偿绕组一 7和补偿绕组二 8的线圈长度来满足线性度及灵敏度指标，补偿匝数越多，灵敏度越小，补偿匝数越少，灵敏度越大。K值范围0.01 0. 1。在绕制次级时一定要注意两个次级线圈必须反相，相对应骨架3分隔区内的补偿和次级是同相。绕线时要紧密平整，保证次级绕组一 5和次级绕组二 6，以及补偿绕组一 7 和补偿绕组二 8的对称性。③接线如图7所示，初级绕组4的起始端与末端分别为电源的正极和负极；
次级绕组一 5的A与次级绕组二 6的B的起始端分别为Va与Vb ；次级绕组一 5的末端A'与补偿绕组二 8的末端Bl ‘相连，次级绕组二 6的起始端B与补偿绕组一 7的末端Al'相连；补偿绕组一 7的起始端Al与补偿绕组二 8的末端Bl ‘相连作为公共端。④线圈粗调为了使产品的灵敏度达到要求(例如灵敏度为0. 05)，需调节线圈长度，调节时只需调节补偿绕组一 7和补偿绕组二 8的起始端与末端的长短位置。为了便于调节，取左右各 3 个采样点，BP 5mm、20mm、40mm、和 _5mm、_20mm、-40mm。⑤线圈的精调线圈粗调合格后，进入精调环节。将线圈带上不锈钢外壳2，外壳2的长度比骨架 3长度长4mm，即骨架3的二个端面到外壳2端面的距离为2mm，外壳2通过两头的端头螺母将骨架3压紧，将漆包线引出。此时骨架3、外壳2、线圈成为一体。再对线圈进行测试时， 其灵敏度会发生少许变化，这时应以每4mm为一个采样点，直至满量程士40mm。根据测试结果再次调节补偿绕组一 7和补偿绕组二 8的长短，使其灵敏度满足0. 05V/V/mm的要求。⑥初级绕组4、次级绕组一 5、次级绕组二 6、补偿绕组一 7和补偿绕组二 8的固定精调后的绕组线圈每个线头先用704胶固定，待胶完全固化后，用细棉线将整个线圈外表面平绕一层，然后用漆包线专用绝缘漆将其均勻的刷湿，放入高温箱80度，固化半小时，取出即可。根据上面所述，新的绕制方法可以使差动变压器式线位移的线性量程大大增加， 其线性量程与机械量程相近。其输出特性如图10。(二)新的使用方法目前通行的计算方法是Vo = Va-Vb，但是此种方式的抗干扰能力很差，致使产品偶发故障因素大大增加。新发明的算法是将二个次级的输出Va和Vb相加，在线位移线性量程范围内，当Va 输出值增大时，Vb的输出值相应减小，并且Va、Vb增大和减小的幅度相同，也就是说在线性量程范围内Va+Vb是个定值。因此新的算法就是通过计算Va+Vb合值是否在规定范围内， 从而达到判断线位移是否发生偶发故障的目的。新算法条件下，传感器输出值是
权利要求
1.一种差动变压器式线位移传感器，包括有衔铁、骨架、初级绕组、次级绕组一和次级绕组二，外层设置有外壳，其特征在于所述次级绕组一和次级绕组二之外设置有补偿绕组一和补偿绕组二 ；所述次级绕组一和次级绕组二反相，所述补偿绕组一和次级绕组一同相， 所述补偿绕组二和次级绕组二同相；所述次级绕组一和次级绕组二匝数相同，补偿绕组一和补偿绕组二匝数相同；次级绕组一末端与补偿绕组二末端相连，次级绕组二起始端与补偿绕组一末端相连；补偿绕组一起始端与补偿绕组二起始端相连作为公共端。
2.根据权利要求1所述的一种差动变压器式线位移传感器，其特征在于所述补偿绕组一和补偿绕组二匝数小于次级绕组一和次级绕组二匝数。
3.根据权利要求1或2所述的一种差动变压器式线位移传感器，其特征在于所述骨架为空心圆柱，骨架中心外侧设置有凸台一，骨架两端外侧设置有凸台二。
4.根据权利要求1或2所述的一种差动变压器式线位移传感器，其特征在于所述衔铁由端部的拉手，与所述拉手连接的无磁性合金柱，与所述无磁性合金柱焊接的坡莫合金柱组成。
5.根据权利要求1或2所述的一种差动变压器式线位移传感器，其特征在于所述外壳为不锈钢外壳。
6.制造如权利要求1所述的一种差动变压器式线位移传感器的过程，包括以下步骤(1)加工骨架和衔铁；(2)绕线选用漆包线绕制线圈，初级绕组由漆包线平绕整个骨架，次级绕组一和次级绕组二分别平绕在骨架的两边，补偿绕组一和补偿绕组二绕在次级绕组上端，绕线紧密平整，保持次级绕组一和次级绕组二，以及补偿绕组一和补偿绕组二的对称性；(3)接线初级绕组的起始端与末端分别为电源的正极和负极；次级绕组一末端与补偿绕组二末端相连，次级绕组二起始端与补偿绕组一末端相连；补偿绕组一起始端与补偿绕组二起始端相连作为公共端；(4)绕组调节调节补偿绕组一和补偿绕组二的起始端与末端的长短位置进行粗调；粗调合格后，将绕制好的骨架套上外壳，将骨架压紧进入精调，将线圈引出，再进行测试，根据测试结果再次调节补偿绕组一和补偿绕组二的长短，使其灵敏度满足要求；(5)初级绕组4、次级绕组一5、次级绕组二 6、补偿绕组一 7和补偿绕组二 8的固定精调后的绕组线圈每个线头先用硅胶固定，待胶完全固化后，绕组线圈外表面绕棉线，然后用绝缘漆将其刷湿，放入高温箱固化取出。
7.一种差动变压器式线位移传感器的使用方法，其特征在于次级绕组一与次级绕组二的起始端分别为Va与Vb ；计算Va+Vb合值是否在规定范围内，判断产品是否发生偶发故障；传感器输出值是
全文摘要
本发明涉及一种差动变压器式线位移传感器，包括衔铁、骨架、初级绕组、次级绕组一和次级绕组二，次级绕组一和次级绕组二之间设置有补偿绕组一和补偿绕组二；次级绕组一和次级绕组二反相，所述补偿绕组一和次级绕组一同相，所述补偿绕组二和次级绕组二同相；次级绕组一末端与补偿绕组二末端相连，次级绕组二起始端与补偿绕组一末端相连；补偿绕组一起始端与补偿绕组二起始端相连作为公共端。制造过程包括加工骨架和衔铁，绕线，调节和固定。次级绕组一与次级绕组二的起始端电压为Va与Vb；计算Va+Vb是否在规定范围内，判断是否发生偶发故障。该产品微型化，机械行程和线性量程基本相同；使用该方法能够对输出信号的正确性进行有效判断。
文档编号H01F29/08GK102175128SQ20111002603
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者杨蕾, 梁锋, 王卫斌, 韦林 申请人:西安旭彤电子科技有限公司