引　言

　　用于位移测量的传感器的种类很多,采用电子原理的有电阻式、电容式、电位器式、电感式等,采用光学原理的有光栅式、 光电式、光纤式等。上述原理的位移传感器，有些只能满足低 精度要求的测量条件，有些只能应用于实验室条件，然而在有 些较为特殊的应用场合，不但要求位移传感器具有较高的测量 精度，同时又要求传感器能够胜任恶劣的工作环境，这款差动变压器式直线位移传感器,正是基于这一技术要求而研制的。

　　1　设计原理

　　该直线位移传感器是根据差动变压器原理制成的,根据电磁感应原理，能够将机械位移量转换成电信号。图1为差动变 压器的结构原理图。它由1个初级线圈、2个次级线圈及铁心构成。线圈中的铁心用来在线圈中连接磁力线构成磁路。

　　当在初级线圈上施加激励交流电压时，根据电磁原理， 在次级线圈上就会产生感应电压，把2个次级线圈反极性串接，由于2个次级线圈输出电压和相位相反，将二者叠加后，在输出端就产生了电位差,如图2所示。当铁心处于中心对称位置时，叠加后的输出电位,而当铁心随被测物移动产生位移时，。差动变压器位移与输出特性关系如图3所示，在一定的范围内，的大小与铁心距离中心对称位置的位移量成正比，可以将这段区间作为传感器的有效线性工作区间。据此，通过检测输出值的大小，便可折算出相对应的位移变化量，这就是差动变压器 将机械位移量转换成电压输出信号的工作原理。

　　2　位移传感器电路设计

　　 2.1　交流激励电路

　　根据差动变压器原理,首先应为差动变压器的初级线圈提 供交流激励信号，由于位移传感器的供电电源仅为5 V,选取了 由三极管、电阻、电容等器件构成的方波信号激励电路,并通过 对元器件一致性的筛选以及阻容参数的合理搭配，确保了激励 信号的波形质量，从而为提高传感器整机的综合性能奠定了基 础。方波信号激励电路如图4所示。

　　2.2　整流、滤波电路

　　整流、滤波电路将次级线圈的输出信号，经过整流、滤波, 将其转化为直流信号。通过对电路的优化设计,对元器件一致 性的筛选以及阻容参数的合理选配，使得该电路既能保证独立线性指标的要求，又能满足对动态响应时间指标的要求，同时 还要尽可能降低直流信号输出的交流噪声。整流、滤波电路见图4。

　　2.3　放大、迁移、滤波电路

　　该部分电路的作用是对整流后的直流信号进行信号迁移、放大、滤波处理，使其输出满足技术指标要求。由于位移传感器的供电电源仅为5 V，电压过低,致使传感器次级线圈的输出 信号以及经过整流、滤波后的直流信号幅度也很低，为保证传 感器的信号输出符合技术指标要求的0.5 ~ 4.5 V,需在信号的 迁移、放大、滤波环节加以放大处理。迁移、放大、滤波如图5 所示，确保了传感器处于最佳线性工作区间，信号输出形式符 合技术指标要求，输出信号的交流噪声也控制在最低程度，以保证传感器输出信号的稳定性，提高抗干扰能力。

　　3　位移传感器机械结构

　　位移传感器整机外形尺寸很小，仅为同类产品通常尺寸的 1/3左右，还要承受盐雾、水下浸渍等环境试验的要求。因此， 应将传感器设计得体积尽量小，安装紧凑。在传感器的测试拉 杆尺寸固定的前提下，对差动变压器的线圈及骨架进行优化设 计。在装配结构的设计上，采取了以焊接结构为主，拉杆和活 动部件留有可动设计间隙的原则，使传感器的装配更容易，可 靠性更高。此外，针对高可靠、抗冲击的技术要求，增加减振设 计,除运动部分的拉杆外，在线圈的固定、信号处理电路板的固 定上均采取了抗振动、耐冲击的措施，加强对冲击和振动的防 护。为满足盐雾、水下浸溃等环境试验的要求，首先在传感器 的壳体材料上选取耐腐蚀、抗盐雾的不镑钢材料，同时在传感 器的引出线出口加密封胶,壳体的螺纹连接部分均采用螺纹胶 等妥善的密封防护措施，以及在传感器的线圈、电路等部分采 用防护漆、耐温防水硅胶等加以封灌防护。

　　4　性能特点

　　4.1　传感器的抗振动特性

　　传感器采用焊接结构设计，保证抗振动性能。从设计角度 讲，一般工业用差动变压器式位移传感器包含线圈和骨架部 分、信号发生和处理部分。2部分分开放置到传感器的外壳内， 电路板和骨架部分不用特殊固定。传感器骨架的材料可以是 电木、陶瓷等非金属材料,也可以是不镑钢材料。在设计过程 中，为满足抗振动、冲击的要求，传感器骨架及连接件全部采用 焊接结构。带来的问题是材料的性能发生变化,直接影响传感 器的精度。因此，需要对传感器进行参数修正，达到最佳设计 参数。电路板固定在金属骨架上，保证线路本身的抗振动性 能。骨架与线圈之间螺钉连接，连接螺钉加螺纹胶。线路板上 的元件全部采用贴片件，电路板上没有可调电位器。信号引出 线用高强度胶固定,整个电路板加胶保护。连接螺纹也全部采用螺纹胶固定防松动，信号线除保护管外，还在引出口加软胶， 防止振动过程中将信号线切断。

　　4.2　传感器的宽温区特性

　　传感器的工作温度能够满足-50 ~ 125°的使用要求，绕制线圈所采用的漆包线具备耐高、低温性能，电路板上的运算放大器、贴片电阻和电容等元件均选择低漂移，耐高、低温的器 件。引出线和连接导线全部采用高温导线，保护管选取耐温200°的材料。这样总体设计满足要求,经过温场试验证明传感器的宽温区设计是合理的。

　　4.3　传感器的低温漂特性

　　温度漂移指标是关系到位移传感器综合性能的重要指标， 如何在全温区范围内，把传感器随温度变化的漂移量控制在最 低限度内，保证温漂系数符合技术要求，成为攻关重点。尽管 所选取的电阻、电容等器件均为低漂移产品，但在全温区范围 内，位移传感器的温漂指标仍然不够理想，因此，需对传感器进 行全温区温度漂移补偿。在温度补偿之前，虽然每只传感器在 全温区范围内的漂移程度不等，但基本趋势是一致的，即随着 温度升高,传感器的输出值变大，随着温度下降，传感器的输出 值变小。利用这一特性，可以将温度敏感器件加入传感器的放 大回路中，以达到温度补偿的目的。采用热敏电阻进行高温和 低温的温度补偿，通过补偿网络修正温度曲线，对传感器进行 整体修正补偿。每台传感器温度漂移曲线不同，补偿参数需要 根据测试情况，设计不同补偿值。经过验证，反复修正测试曲线，最终能达到理想的补偿效果。目前，所有的位移传感器经 温度补偿后，温漂指标均可控制在0.03%F.S./℃以内，最佳补 偿效果可达到0.01%F.S./℃左右。

　　4.4　传感器密封防护特性

　　为满足盐雾、稳态湿热、水下浸渍等环境试验的要求，首先在传感器的壳体材料上选取耐腐蚀、抗盐雾的不镑钢材料，同 时在传感器的引出线出口、壳体的螺纹部分均采取了妥善的密 封防护措施，以及在传感器的线圈、电路部分采用防护漆、耐温 防水硅胶等加以封灌防护。通过采取上述措施,位移传感器顺利通过了盐雾、稳态湿热、水下浸溃等环境试验,取得了十分理想的试验效果。

　　5　结束语

　　该位移传感器具有体积小,质量轻，耐高低温工作、温度冲 击，抗振动，抗冲击等突出特性，同时具备抗盐雾、稳态湿热、水 下浸渍等环境试验条件的特性，可广泛应用于机械制造、矿山 工程、科学研究、国防军工等领域。（作者：李永清、李振波、申安安、刘奸、张卫、赵志岭）

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