一种高稳定度位移传感器的设计方法与流程

[0001]
本发明涉及传感器技术领域，具体为一种高稳定度位移传感器的设计方 法。


背景技术：

[0002]
lvdt位移传感器全称为：linear variable differential transformer,线性可 变差动变压器,lvdt位移传感器的工作原理简单地说是铁芯可动变压器，结 构如图1所示，lvdt由一个初级线圈p、两个次级线圈s1和s2、铁芯等部 件组成，当铁芯在线圈中心位置时，次级线圈s1、s2所感应的电压相等，由 于输出是反向串接，所以输出电压为零(实际上还有很小的零位电压)；如图 2的电路原理图和图3的次级线圈感应电压与铁芯距离之间关系，即输出特性 曲线图所示，当铁芯向左移动时，线圈s1和线圈p之间互感量增加，次级线 圈s1的感应电压v1升高，同时线圈s2与线圈p之间互感量减小，次级线圈 s2的感应电压v2降低，两线圈电压的代数和v＝v1+v2(因为s1和s2是反向 串接，v1和v2相位差180
°
，实际值v＝v
1-v2)随着铁芯向左移动呈线性增加； 当铁芯向右移动时，两线圈电压变化相应与之相反，v1+v2的代数和随铁芯向 右移动输出线性增加，但此时相位与向左移动相差180
°
，这样就将非电量-位 移转变成电压，完成传感器的功能。
[0003]
但是目前国内、外lvdt位移传感器仍存在一定的技术差距，具体为稳 定性，如国内lvdt位移传感器的温度系数为：满度温度漂移：≤0.03％f.s/℃； 零位温漂：≤0.02％f.s/℃；而国外lvdt位移传感器的温度系数为：满度温度 漂移：≤0.01％f.s/℃；零位温漂：≤0.003％f.s/℃，由上述可知，目前国内的 传感器满度温度漂移和零位温漂还是比较大的，温度稳定度低，这就会导致 传感器包括测量精度在内的其它性能受到影响，现在亟需研发一款位移传感 器，保证温度稳定性。


技术实现要素：

[0004]
针对上述问题，本发明提供了一种高稳定度位移传感器的设计方法，其 可保证高稳定度温度特性。
[0005]
其技术方案是这样的：一种高稳定度位移传感器的设计方法，其特征在 于：其包括以下步骤：
[0006]
s1、在lvdt位移传感器的结构初步确定后，制定温度-频率特性曲线， 找到使所述lvdt位移传感器的次级电压v零温度系数点的频率，其中， v＝va-vb，va、vb分别是所述lvdt位移传感器的两个次级电压；
[0007]
s2、选取在零温度系数点的频率下的品质因数q，且所述lvdt位移传 感器初级电流i
p
温度糸数与感抗x
l
温度糸数相等,符号相反互相抵消；
[0008]
其中，q＝ωl
p
/r
p
ꢀꢀꢀ
(1)
[0009][0010]
其中，线圈密度n＝n/l；l为初级线圈绕线长度；n为初级线圈总匝数； r为初级线
圈平均半径；l
c
为铁芯长度；r
c
为铁芯半径；μ
m
为相对导磁率； l
p
为初级线圈电感；i
p
为初级电流；r
p
为初级线圈电阻；角频率ω＝2πf；感 抗x
l
＝ωl；
[0011]
s3、在规定激励频率下，按照零温度点频率的q值，重新设计lvdt位 移传感器线圈的结构得到lvdt位移传感器。
[0012]
其进一步特征在于：
[0013]
在所述步骤s1中，对所述lvdt位移传感器通过试验制定温度-频率特 性曲线，具体试验步骤如下：
[0014]
s1.1、将所述lvdt位移传感器在高低温箱中固定好，铁芯处于满行程位 置；
[0015]
s1.2、所述lvdt位移传感器初级外接信号发生器，设定频率和初级电压；
[0016]
s1.3、在不同温度下用数字万用表分别测量初级电流i
p
、次级电圧vb,次 级电圧va；
[0017]
s1.4、改变频率，重复步骤s1.3，最终计算得到各频率下的温度系数；
[0018]
在所述步骤s1中，对所述lvdt位移传感器试验制定温度-频率特性曲 线，且温度-频率特性曲线是以频率为横坐标、温度系数为纵坐标的曲线图。
[0019]
本发明的有益效果是，首先在lvdt位移传感器的结构初步确定后，通 过试验得到温度-频率特性曲线,找到使lvdt位移传感器的次级电压v零温 度系数点的频率，并选取在零温度系数点的频率下的品质因数q，则对于给 定的lvdt位移传感器，在规定激励频率下，按照零温度点频率的q值，重 新设计结构得到的lvdt位移传感器，可保证其温度糸数小于30ppm/℃，实 现了高稳定度温度特性。
附图说明
[0020]
图1是lvdt位移传感器的结构示意图；
[0021]
图2是lvdt位移传感器的电路原理图；
[0022]
图3是lvdt位移传感器的输出特性曲线图；
[0023]
图4是本发明实施例中ac12系列温度-频率特性曲线图；
[0024]
图5是本发明实施例中对于lvdt位移传感器重新设计的线圈参数设计 图。
具体实施方式
[0025]
一种高稳定度位移传感器的设计方法，其包括以下步骤：
[0026]
s1、在lvdt位移传感器的结构初步确定后，对lvdt位移传感器通过 试验制定温度-频率特性曲线，具体试验步骤如下：
[0027]
s1.1、将lvdt位移传感器在高低温箱中固定好，铁芯处于满行程位置；
[0028]
s1.2、lvdt位移传感器初级外接信号发生器，设定频率1.8khz，初级 电压3v电圧；；
[0029]
s1.3、在不同温度(如25℃、135℃、-55℃)下用数字万用表分别测量初 级电流i
p
、次级电圧vb,次级电圧va；
[0030]
s1.4、改变频率，重复步骤s1.3，最终可计算得到各频率下的温度系数； 如下表一所示，直至找到使lvdt位移传感器的次级电压v零温度系数点的 频率，其中，v＝va-vb，va、vb分别是lvdt位移传感器的两个次级电压；
[0031]
表一：
[0032][0033]
表一中仅仅是给出的频率1.8khz数据，可根据上述试验步骤得出其它频 率的参数值；
[0034]
温度系数计算具体地：
[0035]
在温度为135℃时，lvdt位移传感器的次级电压v温度系数为：
[0036]
温度系数＝(2.4766-2.4901)/(2.4901*(135-25))＝-0.00004955＝-49.55ppm/℃；
[0037]
在温度为-55℃时，lvdt位移传感器的次级电压v温度系数为：
[0038]
温度系数＝(2.4942-2.4901)/(2.4901*(-55-25))＝-0.00002058＝-20.58ppm/℃；
[0039]
则根据上述，可计算出在不同频率和温度下的lvdt位移传感器的次级 电压v温度系数，随后以频率为横坐标，温度系数为纵坐标得到温度-频率特 性曲线，找到使lvdt位移传感器的次级电压v零温度系数点的频率；
[0040]
而从温度-频率特性曲线中可知，频率对于lvdt位移传感器温度特性有 很大影响，如图4所示，ac12系列(ac12-20/30/50/100)，随着频率上升， lvdt位移传感器的次级电压v温度系数从负值向正值上升，实测结果见表 二,各种lvdt都有一个过零温度系数点的频率(见图4)，例如cw-ac12-100 在f＝10khz，温度系数为-27ppm/℃，即零温度系数点。
[0041]
表二如下所示：
[0042]
[0043]
s2、选取在零温度系数点的频率下的品质因数q，且lvdt位移传感器 初级电流i
p
温度糸数与感抗x
l
温度糸数相等,符号相反互相抵消；
[0044]
如初级电流i
p
温度糸数为负值(初级线圈电阻r
p
温度糸数为正值)，感抗 x
l
温度糸数为正值；
[0045]
其中，q＝ωl
p
/r
p
ꢀꢀꢀ
(1)
[0046][0047]
其中，线圈密度n＝n/l；l为初级线圈绕线长度；n为初级线圈总匝数； r为初级线圈平均半径；l
c
为铁芯长度；r
c
为铁芯半径；μ
m
为相对导磁率； l
p
为初级线圈电感；i
p
为初级电流；r
p
为初级线圈电阻；角频率ω＝2πf；感 抗x
l
＝ωl；
[0048]
在公式(2)中，公式的前半部分为线圈空心电感，不随温度变化，后半 部分为带铁芯电感，μ
m
随频率、温度变化，以m12-110为例，且以温度为25℃ 作为基准参数，如下表三：
[0049][0050][0051]
从上表三可知，
[0052]
(1)、μm随频率升高而降低；
[0053]
(2)、同一频率，μm随温度升高而升高；
[0054]
(3)、不同频率，μm随温度变化系数是不同的，温度系数开始随频率升 高而升高，然后到一定频率达最大值时，对于m12-110而言，高温f＝8khz 温度系数最大，低温f＝8khz为最大；
[0055]
(4)、随频率升高，温度系数减小，即在特定频率，温度系数为零，之 后f再升高，变为负温度系数。
[0056]
表三中，温度系数是以25℃时的值为基准，如计算135℃时的温度系数， 且频率为2.5khz时，温度系数＝(104.16-90.7)/(90.7*(135-25))＝1.349*10-3
/℃；
[0057]
s3、在规定激励频率下，按照零温度点频率的q值，重新设计lvdt位 移传感器线圈的结构得到lvdt位移传感器，如图5所示，以ac12-100,规 定激励频率＝2.5khz,零温度点频率q＝20,重新设计lvdt，重新设计的lvdt 技术指标如下：
[0058]
(1)激励电压：3vrms 2.5khz
[0059]
(2)行程：
±
100mm
[0060]
(3)灵敏度：7.1mv/v/mm
ꢀ±
5％
[0061]
(4)相位：-3
°±3°
[0062]
(5)输入阻抗：1500ω
±
20％
[0063]
(6)输出阻抗：1250ω
±
20％
[0064]
(7)零相移频率：1.22khz
[0065]
(8)线性度：0.25％f.smax
[0066]
(9)零位电压：0.5％max
[0067]
(10)工作温度：-50℃—+135℃
[0068]
(11)满度温度系数：0.01％/℃/f.s max初级；0.2漆包线，平绕5层， 每层1266.8圈，共6333.4圈，铁芯为φ4.5x72mm，使得q＝20.384， 从而使满度温度系数：0.01％/℃/f.s max；
[0069]
对于上述重新设计的lvdt，测试表如下表四所示：
[0070][0071]
得知：线性度＝0.04％；灵敏度＝7.27701mv/volts rms/mm；
[0072]
零点电压＝0.0057volts rms
[0073]
表三中，μ
m
随频率、温度变化而变化，得出μ
m
温度糸数为正值,感抗x
l
＝ωl 温度糸数是正值；
[0074]
根据步骤s1中的实验步骤，制定如下表五：
[0075]
[0076]
135℃数据与25℃数据比较：
[0077]
满行程温度系数＝(2.4736-2.4824)/(2.4824*2*(135-25))＝-0.00001611/℃
[0078]-50℃数据与25℃数据比较：
[0079]
满行程温度系数＝(2.4818-2.4824)/(2.4824*2*(-55-25))＝0.00000151/℃ 可知：在-50℃～+135℃满度温度系数达0.002％/℃/f.s，即20ppm//℃，则重 新设计的lvdt位移传感器完全达0.1级lvdt标准。
[0080]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实 现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且 是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨 在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。 不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0081]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。