直線位移傳感器設計與分析

隨著科學技術的不斷進步發(fā)展，對各種物理參數(shù)的測要求也越來高、越來越廣泛，在現(xiàn)代制造業(yè)中，直線位移測量也是非常重要的。目前比較多的直線位移量傳感器有感應同步器式、電容式、電感式、光電式、光柵式、磁柵式、霍爾效應式等。在實際生產(chǎn)和應用中如此繁多的位移傳感器有優(yōu)點、也多少都存在著一些問題，精度高的制造設備復雜、制造工藝復雜，結構復雜，安裝調試要求高，成本也高，同時對使用環(huán)境要求也嚴格，如光柵尺（如圖1）等；精度相對低的、線性范圍小的，結構相對簡單、可靠性要求也高，但頻率響應不高，快速動態(tài)測量很難適用，如電感式的（如圖2）。

本文設計分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，其結構主要由初級和次級構成（如圖3），初級包括初級鐵心及激磁、輸出繞組，次級僅為帶齒的鐵心，具有無刷化，同時也具有精度高、可靠性高、線性范圍大、適應環(huán)境能力強、頻率響應高、體積小、結構簡單、價格低等優(yōu)點，適合作為直線位移檢測元件用于無刷直線直流電機等直線伺服驅動電機系統(tǒng)中，也可用于環(huán)境惡劣、可靠性要求高的位移測量系統(tǒng)中。

1  設計原理  

本文設計分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，根據(jù)法拉第電磁感應原理可知, 當激磁繞組（R1R2）施加交流勵磁電壓時，兩個輸出繞組（S1S3、S2S4）中分別產(chǎn)生感應電壓，其幅值主要決定于初級、次級齒間氣隙磁導的大小，即隨氣隙磁導的變化而變化。次級移動一個齒距，氣隙磁導變化一個周期，則輸出電壓幅值就變化一個周期，次級移動一個周期，輸出電壓幅值變化的周期數(shù)等于初級齒數(shù),其電氣原理圖如圖4所示。

2  設計分析

2.1  樣機設計參數(shù)

磁阻式直線位移傳感器主要技術參數(shù)有勵磁電壓、勵磁頻率，最大輸出電壓及極對數(shù)等，設計參數(shù)有初次級槽數(shù)、初次級長度尺寸、氣隙等參數(shù)，樣機具體參數(shù)見下表。

表 1  樣機設計參數(shù)

2.2  結構設計

磁阻式直線位移傳感器主要由初級和次級構成，初級包括初級鐵心及勵磁繞組、正余弦輸出繞組，次級僅為帶齒的鐵心，結構比較簡單。為了保證磁阻式直線位移傳感器運行時性能指標，必須保證初級、次級之間的氣隙均勻，優(yōu)化初級、次級結構及安裝型式，并合理選擇直線導軌，選取氣隙尺寸為0.3mm。初級、次級鐵芯僅由沖片組成，并用激光焊接或鉚釘緊固，加工工藝簡單，零部件安裝可靠，初級上面還有勵磁繞組、正余弦輸出繞組，材料選取漆包線，繞線骨架選用尼龍材料注塑成型，套裝在初級齒上。直線位移傳感器整體結構簡單，零部件安裝可靠，選材主要為硅鋼片、漆包線及尼龍材料，因此對環(huán)境適應能力非常強。

2.3  繞組設計

激磁繞組采用等匝集中繞組，每個初級齒上的匝數(shù)為：

式中：N——激磁繞組總匝數(shù)，

      Z1——初級齒數(shù)。

兩輸出繞組分別采用正弦分布繞組和余弦分布繞組。

式中：N0——每個大齒上一相輸出繞組可能的最大匝數(shù)。

3  信號處理應用

由于磁阻式直線位移傳感器是一種模擬型機電元件，在實際無法滿足伺服系統(tǒng)的數(shù)字化應用，因此要通過設計合適的接口電路，將模擬信號與控制系統(tǒng)數(shù)字信號之間的相互轉化得以實現(xiàn)。

圖5  電路典型應用

美國AD公司的AD2S90作為模擬/數(shù)字轉換器，與控制器之間采用同步串行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。具有自身的優(yōu)點:（1）軸角信息提供兩種輸出方式，一是絕對串行二進制輸出(12位)，最高傳輸速率為2Mbps;二是模擬增量式編碼器輸出，A, B和NM信號，相當于一個1024線增量式編碼器。（2）分辨率固定為12位，外圍電路簡單。（3）串行芯片價格便宜，僅為并行芯片的1/5一1/l00基于以上優(yōu)點。AD2S90的分辨率固定，因此幾乎不必設置任何外圍電路，而只需提供正常的工作電源，轉換器就能正常運行，如圖5所示。

4  結束語

本文設計分析的直線位移傳感器由于結構簡單，所用材料主要為硅鋼片、漆包線及工程塑料，因此除了具有性范圍大、頻率響應高、成本低等優(yōu)點外，對環(huán)境適應能力也非常強，可用于環(huán)境溫度較高或較低的場合、也可用于高振動、沖擊的環(huán)境。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.k2057.cn/w/qk/21223.html