GH系列传感器国产化技术分析

邰秀江 冯琪玲

1.阜新福传传感器有限公司

2.辽宁工程技术大学应用技术学院副教授，辽宁 123000

GH系列传感器国产化技术分析

邰秀江1冯琪玲2

1.阜新福传传感器有限公司

2.辽宁工程技术大学应用技术学院副教授，辽宁 123000

差动变压器式位移传感器(以下简称LVDT），是利用差动变压器原理制造的。在当今信息迅猛发展的时代，其重要性越来越被大家所认识。本文以传感器的基本原理为理论基础，依据国内外产品特点，对英国SenSonics公司的产品进行了国产化设计，开发出广泛应用于自动检测与自动控制中的差动变压器式位移传感器。

差动变压器；位移传感器；制动检测；GH系列

引言

随着科学技术的进步发展，传感器已作为国家重点支持发展的高新技术产品，并成为新技术革命的关键因素。我公司作为差动变压器式位移传感器专业生产基地，尽管近年来在产品品种、规格及水平方面都有新发展，但仍不能满足现代化工业生产的需求，对GH系列传感器国产化技术的开发显得尤为重要。本文主要对差动变压器式位移传感器基本结构进行了改进，并从材料的选择方面入手，设计了国产GH系列差动变压器式位移传感器，填补该产品型谱系列中规格不全的缺陷。

1 差动变压器式位移传感器结构特点及基本原理

1.1 差动变压器结构特点

差动变压器式传感器的结构类型有：螺管型、门型、旋转型。其中螺管型与后两种比较有高灵敏度、较高分辨率、可靠性能好、过载能力强、线性度好等优点。据此，本设计采用螺管型差动传感器，其特点如下：

(1)可在恶劣的环境下工作。产品的使用温度可达-180℃～600℃，有的可在水下及油中以及核辐射环境中长期工作，这是其它结构形式的位移传感器不能比拟的。

(2)由于LVDT位移传感器可动部分衔铁与固定部分线圈之间本质上是非接触的，为此传感器的理论重复性误差和回差为零。

(3)LVDT传感器工作时铁芯与线圈骨架没有摩擦，因此有极高的平均无故障时间。

(4)LVDT传感器具有无限分辨率，其实际的分辨率取决于显示仪表的精度。

(5)LVDT传感器灵敏度高，输出信号大，输出的频率响应较宽[3]，温度系数小。

1.2 基本原理

LVDT传感器就是利用差动变压器转换元件将位移量转换为与其成相应关系的电信号输出，具体地说，它是由两个或多个带铁芯的电感线圈组成。初级、次级之间的耦合是能随铁芯或两个线圈之间的相对位移而改变的，能把机械量转换为电信号输出。当初级线圈通以音频激磁电源后，由于互感的作用，两个次级线圈将分别产生感应电动势，E2-1、E2-2，把两个二次线圈的一对同名端相接，在另一对同名端即可获得一个与铁芯位移成线性函数关系的电压。当铁芯在中间位置时，两个次级绕组互感相同，因而由初级激磁引起的感生电动势相同E2-1=E2-2=0，差动输出电压为零。当铁芯移向次级绕组N2-1一边时， N2-1互感增大，N2-2互感减小，因此E2-1＞E2-2，差动输出电压E=E2-1—E2-2≠0，且在传感器的量程内，铁芯移动的越大，差动输出电压越大。反之亦如此。如图(1)所示，根据LVDT输出的电信号的大小和极性，即可计算出该位移的大小和方向。

图1

2 材料的选择

国产化前GH传感器最显著的特点是体积小、外形美观、输出灵敏度高、测量范围小、易与变送器配套，不足之处是骨架采用聚四氟乙烯材料、多段式结构，加工复杂，每一段需用胶粘接，线性补偿时易损坏，绕制线圈时高速旋转易造成多条线，给操作者带来视觉误差，绕线不均匀、输出不对称、精度差，这就决定了必须对其骨架重新设计，以适用现行常用的加工手段。

1)线圈绕组由初、次级线圈和骨架组成。线圈用36-48号高强度漆包线制成；骨架的加工精度要求高、外形尺寸和形状要求严格对称，所以骨架应采用高频损耗小、膨胀系数小、抗潮湿性能好的非导磁材料制成。骨架采用1Gr18Ni9Ti薄壁不锈钢管。

2)铁芯要求饱和磁感应强度高、损耗小、电阻率高、磁性能稳定、热膨胀系数小、加工性能好、价格便宜等特点。铁芯采用1J50磁性材料。

3)壳体采用与铁芯同类型1J50磁性材料其可提供磁回路，磁屏蔽和机械保护[4]。

通过以上材料分析，GH传感器主要材料初步定为：骨架采用Φ3×0.5 1Gr18Ni9Ti薄壁不锈钢管；铁芯采用Φ2.5 1J50棒；壳体采用Φ8×1 1J50管。

3 GH传感器设计

LVDT其主要技术指标有：量程、线性度、灵敏度、频率响应、零点输出电压等。设计的任务是确定传感器的结构类型及传感器各部分所用材料、骨架及绕线数据和所需线径，确定激磁电压频率，根据此条件设计GH/±10mmLVDT。电路部分采用成熟的AD598集成电路(在此不介绍)

3.1 线圈、骨架的确定

原GH传感器骨架采用多段式，前文已概述其加工、绕线的复杂性，根据大量的市场调研，骨架采用1Gr18Ni9Ti钢管，两端加线性铁、绝缘片的二节式结构。根据e=4e1+8d公式 取骨架e=52mm。

3.2 铁芯设计

铁芯直径与灵敏度成正比，减少铁芯与线圈间的间隙，不仅提高其有效磁导率，也提高其测量精度，根据GH/±10传感器外径及骨架内径尺寸，铁芯初步设计为：外径θ=2.4mm、长31mm～25mm。

3.3 线圈匝数的确定

线圈的匝数影响到传感器的灵敏度，在线圈骨架结构限定的面积下，为提高匝数选用了低电阻率、高强度的漆包线。GH/±10mmLVDT线圈绕制初步定为N1：四层平绕；N2：按一定规律阶梯排列数，线径均为Φ=0.08漆包线(在不改变其他参数条件下，不断改变次级匝数排列而获得一条最理想的曲线)

3.4 激磁电源、频率确定

一次频率的增加，有利于提高线圈的质因素，能提供灵敏度，根据：JB/T9258—99中华人民共和国机械行业标准，激磁供电电源1-5v，1-5KHz.激磁供电电压初步定为：3v、3KHz。

3.5 零点误差的控制

零位残余电压是评定传感器性能优劣的重要指标。当LVDT的铁芯位于线圈中间位置时，由于对称的两个次级线圈反向串联，E2-1=E2-2=0，但由于总会有残余电压存在[3]，实际情况并不等于零，零位输出电压的存在使得传感器输出特性在零位附近不灵敏，不利于测量并带来误差，因此LVDT的零部件加工尤为重要。

4 结语

GH系列LVDT传感器具有超小体积、灵敏度高、线性度高、稳定好的特点，现已在北京装甲兵工程学院、长春灯泡厂、北京冶自仪器仪表有限公司等单位广泛使用。LVDT在飞机的模拟试验、产品试样、疲劳试验中也有广泛的应用前景。

[1]中华人民共和国机械行业标准.JB/T9527—1999

[2]田欲鹏,姚恩涛,李开宇.传感器原理第三版.科学出版社, 2007

[3]阜新福传传感器有限公司.传感器说明书

[4]袁希光.传感器技术手册第一版. 国防工业出版社, 1986

邰秀江,女,阜新福传传感器有限公司董事长，工程师。长年从事位移传感器研发制作工作，其研发的产品广泛应用于机械、航天、石油化工等多种领域的位移测量系统中，取得了良好的经济效益和社会效益，在业内具有较高的知名度。

冯琪玲,女,辽宁工程技术大学应用技术学院副教授,研究方向：机电工程与数控加工技术专业的科研与教学工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.046