直線位移傳感器設(shè)計(jì)與分析

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，對(duì)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(yīng)同步器式、電容式、電感式、光電式、光柵式、磁柵式、霍爾效應(yīng)式等。在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中如此繁多的位移傳感器有優(yōu)點(diǎn)、也多少都存在著一些問題，精度高的制造設(shè)備復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試要求高，成本也高，同時(shí)對(duì)使用環(huán)境要求也嚴(yán)格，如光柵尺（如圖1）等；精度相對(duì)低的、線性范圍小的，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、可靠性要求也高，但頻率響應(yīng)不高，快速動(dòng)態(tài)測量很難適用，如電感式的（如圖2）。

本文設(shè)計(jì)分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器，其結(jié)構(gòu)主要由初級(jí)和次級(jí)構(gòu)成（如圖3），初級(jí)包括初級(jí)鐵心及激磁、輸出繞組，次級(jí)僅為帶齒的鐵心，具有無刷化，同時(shí)也具有精度高、可靠性高、線性范圍大、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，適合作為直線位移檢測元件用于無刷直線直流電機(jī)等直線伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shè)計(jì)原理  

本文設(shè)計(jì)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(yīng)原理可知, 當(dāng)激磁繞組（R1R2）施加交流勵(lì)磁電壓時(shí)，兩個(gè)輸出繞組（S1S3、S2S4）中分別產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其幅值主要決定于初級(jí)、次級(jí)齒間氣隙磁導(dǎo)的大小，即隨氣隙磁導(dǎo)的變化而變化。次級(jí)移動(dòng)一個(gè)齒距，氣隙磁導(dǎo)變化一個(gè)周期，則輸出電壓幅值就變化一個(gè)周期，次級(jí)移動(dòng)一個(gè)周期，輸出電壓幅值變化的周期數(shù)等于初級(jí)齒數(shù),其電氣原理圖如圖4所示。

2  設(shè)計(jì)分析

2.1  樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

磁阻式直線位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)有勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁頻率，最大輸出電壓及極對(duì)數(shù)等，設(shè)計(jì)參數(shù)有初次級(jí)槽數(shù)、初次級(jí)長度尺寸、氣隙等參數(shù)，樣機(jī)具體參數(shù)見下表。

表 1  樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁阻式直線位移傳感器主要由初級(jí)和次級(jí)構(gòu)成，初級(jí)包括初級(jí)鐵心及勵(lì)磁繞組、正余弦輸出繞組，次級(jí)僅為帶齒的鐵心，結(jié)構(gòu)比較簡單。為了保證磁阻式直線位移傳感器運(yùn)行時(shí)性能指標(biāo)，必須保證初級(jí)、次級(jí)之間的氣隙均勻，優(yōu)化初級(jí)、次級(jí)結(jié)構(gòu)及安裝型式，并合理選擇直線導(dǎo)軌，選取氣隙尺寸為0.3mm。初級(jí)、次級(jí)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(jí)上面還有勵(lì)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(jí)齒上。直線位移傳感器整體結(jié)構(gòu)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(duì)環(huán)境適應(yīng)能力非常強(qiáng)。

2.3  繞組設(shè)計(jì)

激磁繞組采用等匝集中繞組，每個(gè)初級(jí)齒上的匝數(shù)為：

式中：N——激磁繞組總匝數(shù)，

      Z1——初級(jí)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(gè)大齒上一相輸出繞組可能的最大匝數(shù)。

3  信號(hào)處理應(yīng)用

由于磁阻式直線位移傳感器是一種模擬型機(jī)電元件，在實(shí)際無法滿足伺服系統(tǒng)的數(shù)字化應(yīng)用，因此要通過設(shè)計(jì)合適的接口電路，將模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)化得以實(shí)現(xiàn)。

圖5  電路典型應(yīng)用

美國AD公司的AD2S90作為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，與控制器之間采用同步串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具有自身的優(yōu)點(diǎn):（1）軸角信息提供兩種輸出方式，一是絕對(duì)串行二進(jìn)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(hào)，相當(dāng)于一個(gè)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(jià)格便宜，僅為并行芯片的1/5一1/l00基于以上優(yōu)點(diǎn)。AD2S90的分辨率固定，因此幾乎不必設(shè)置任何外圍電路，而只需提供正常的工作電源，轉(zhuǎn)換器就能正常運(yùn)行，如圖5所示。

4  結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)分析的直線位移傳感器由于結(jié)構(gòu)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(yīng)高、成本低等優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力也非常強(qiáng)，可用于環(huán)境溫度較高或較低的場合、也可用于高振動(dòng)、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