差动变压器式位移传感器原理及应用分析

梁 冰，张友明

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163412)



·经验交流·

差动变压器式位移传感器原理及应用分析

梁 冰，张友明

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163412)

位移传感器是井径仪的关键部件，随着井径测量技术的发展，传统的拉杆电位器式位移传感器由于存在诸多缺陷，已不再适用。这里介绍了差动变压器式位移传感器的原理、结构及应用方法，并以31DH/±8 mm型差动变压器的性能检测实验为基础，详细分析了该传感器的应用效果，证明了该种传感器具有耐高温、线性度好、分辨率高及使用方便等特点，是井径仪的首选传感器。关键词：差动变压器；位移传感器；井径仪

0 引 言

井径仪[1]是油田套管状况检测的主要手段之一，对油田生产起到了重要作用。近年来井径仪逐渐采用差动变压器式位移传感器，代替了多年来使用的拉杆电位器式位移传感器，拉杆电位器式位移传感器因温度、精度、线性度以及耐磨性等方面的缺陷，应用中存在测量误差大，重复性差，信号漂移严重、寿命短等问题。差动变压器式位移传感器具有耐高温、线性度好、分辨率高及使用方便等特点是井径仪较为理想的传感器。

1 差动变压器式位移传感器结构、原理及应用方法

差动变压器式位移传感器是利用差动变压器原理制造的。它可以把直线移动的机械位移量变换为电量的变化。广泛应用于各种位移量(或能转换为位移的各种物理量，如：伸长、膨胀、应变、压力等)的测量中。

1．1 差动变压器结构

如图1所示，差动变压器由初级绕组N1和两个次级绕组N2-1，N2-2组成，但铁芯是可以移动的。初级线圈作激励用，相当于变压器原边，而次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，构成变压器副边。为防止杂散磁场干扰，常加导磁材料外壳做屏蔽。

图1 差动变压器结构

1．2 工作原理

差动变压器的工作原理可用变压器原理来解释，所不同的是：一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路，一般变压器原、副边间的互感是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随铁芯的移动而作相应变化。差动变压器正是以互感变化为基础进行工作的。

若忽略线圈寄生电容及铁芯损耗，则差动变压器等效电路[2]如图2所示：

图2 差动变压器等效原理图

根据变压器原理，输出电动势差可表示为：

(1)

运用电磁学理论及毕奥-沙伐定律进一步推导[3]可得：

(2)

式中：

E2：差动输出电动势;

e1:激励电压;

N1，N2：初级线圈、次级线圈匝数;

L，l2: 初级线圈、次级线圈长度;

L1、R1：初级线圈电感、电阻;

Aa： 铁芯截面积;

μ0，μr:空气、铁芯磁导率;

ω：激励电压圆频率;

Δx：铁芯位移量。

对一个具体的差动变压器来说，N1，N2，L，l2，Aa是固定值，R1，L1，μ0，μr也可看成是常数；所以，上式表明，差动输出电压E2是ω，e1的函数，若激励频率ω、激励电压也选定，输出电压E2将只与铁芯位移量有关且是正比例关系。

1．3 差动变压器应用方法

如图3所示是差动变压器式位移传感器应用于井径仪的原理框图。其工作过程是：井径仪测量臂探测套管的内径变化，传动机构将这个变化按比例转换成垂直方向的位移，并传递给位移传感器，传感器将该位移转换成电信号，经放大、整流输出一个正比于位移量的直流电平，最后送后级系统记录或显示，从而达到测量套管内径变化的目的。

图3 应用方法示意图

1．3．1 激励电源

如图4、5所示分别是某传感器e1和ω对E2、灵敏度K的关系曲线[3]。如图4所示，e1越高，相同位移量引起的E2也越高，即传感器灵敏度越大，但e1也不能过大，过大会使变压器线圈发热而引起较大的信号漂移，应根据情况选取合适值；如图5所示，ω与传感器灵敏度呈非线性关系，在某频率段，灵敏度与频率几乎无关，频率过高或过低灵敏度均会下降。

图4 E2与激励电压关系

图5 灵敏度与激励频率关系

所以，要求激励电源[4]输出电压必须稳定，而频率只要选取合适，小范围的波动对差动输出电压影响不大。

1．3．2 精密整流电路

精密整流电路[5]是有关检测精度的另一关键，以往多由分立元件构成，电路复杂，精度也不高；为此选用了专用的任意波形真有效值-直流转换器来构成精密整流电路，该集成芯片可计算任何复杂波形的真有效值，且有很高的精度和宽的动态范围，在0～2 V真有效值输入时，最大非线性度为0.04%，附加误差为0.1%，这是分立元件和模块电路所无法达到的；另外，它允许激励波形有一定的失真，这在一定程度上也简化了激励源设计。

2 传感器性能检测实验及分析

31DH/±8 mm型传感器是某厂生产的一种的高温、大量程、高精度传感器，其主要技术指标是：

外 径：8 mm，带回复弹簧；

耐 温：175℃；

测量范围：±8 mm，线性度0.5%。

下面就其线性度、分辨能力、耐温性能等主要指标进行检测实验，按图3 所示制作了实验用激励电源及检测电路，实验参数为：激励电压幅度3 V，频率3 kHz，差

动放大器增益为1；检测实验选用螺旋测微仪来作位移发生器，位移精度可达1 μm。

2．1 线性度检测实验及分析

以传感器零点为中心，以满量程的5%(标准规定是10%)为步进量，从-8 mm到+8 mm，测得的数据和曲线图见表1和图6。

表1 线性度检测实验数据表

图6 线性度实验曲线

由曲线图可看出，在±8 mm 的量程范围内，位移与输出电压有良好的线性关系，经计算，线性度分别为0.14%、0.143%、0.11%、0.10%，均小于0.5%，灵敏度为114.3 mV/mm、114 mV/mm、115.6 mV/mm、100.1 mV/mm。

2．2 温度实验及分析

为了检验传感器及检测电路的温度性能，传感器及电路同时被放入烘箱，测得的数据及相应曲线见表2和图7(以#1传感器为例)。

表2 温度实验数据表

图7 温度实验曲线

P1，P2分别是小位移(约2 mm)和满量程(约8 mm)时温度实验曲线，由实验数据知，在小位移时，温度40℃～180℃对应输出为229～224 mV，即ΔV=5 mV,换算成位移量为0.026 mm；满量程时，温度40℃～180℃时，ΔV=9 mV,换算成位移量为0.052 mm。可见温度对测量误差的影响很小。

2．3 分辨能力实验及分析

为了检测传感器对小位移的分辨情况，对#1传感器进行了步进20 μm的小位移实验，为直观起见，直接用某厂生产的位移检测仪二次仪表作试验装置，该仪表激励电压、频率同上述实验，并直接显示位移量，精度1 μm。表3和图8所示是部分实验数据及相应曲线。

由实验可知，位移每变化20 μm，输出变化平均值也约为20 μm，所以，传感器对20 μm位移量有较好的分辨能力。

表3 分辨能力实验数据表

图8 分辨能力实验曲线

由上述实验可知，传感器在±8 mm范围内能达到0.5%的线性度，在不大于180℃环境中有较小的温漂误差，对20 μm的位移量有较好的分辨能力。若井径仪传动比为10：1，则动态范围为0～160 mm(仅用传感器单方向)，分辨能力可达0.2 mm，在40℃～180℃范围内，满量程误差不大于0.52 mm,完全能满足实际需要。为了保证上述指标性能，差动变压器式位移传感器在制作工艺上还要注意双绕组的对称性、绕组之间耦合程度、磁芯的材质及外壳体的屏蔽等。

3 结 语

差动变压器式位移传感器在较宽的测量范围内有很高分辨能力，灵敏度高，输出信号幅度大，与之配套使用的二次仪表相应的比较简单，抗干扰能力也强；温度系数较小，因此适用于环境温度变化的场所；结构简单，因此与其他结构形式的传感器相比售价较低，是井径仪的较理想的传感器，有很好的应用前景。

[1] 原海涵．石油地球物理测井[M]．北京：石油工业出版社，1992：222-225.

[2] 严钟豪．非电量电测技术[M]．北京：机械工业出版社，1989：114-116.

[3] 刘迎春，叶湘滨．传感器原理、设计与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2006：49-82.

[4] [美] Abrahan I．Pressman/Keith Billings/Taylor Morey 著，王志强，肖文勋，虞 龙，译．开关电源设计[M]．北京：电子工业出版社，2013:72-98.

[5] 吕俊芳．传感器调理电路设计理论及应用[M]．北京：航空航天大学出版社，2010：122-129.

Principle and Application Analysis of Differential Transformer Displacement Sensor

LIANG Bing, ZHANG Youming

(DaqingLoggingandTestingServicesCompanyResearchandDevelopmentCentre,Daqing,Heilongjiang163412,China)

Displacement sensor is the key part of the caliper, with the development of the caliper measurement technology, traditional lever potentiometer displacement sensor, because of many defects, is no longer applicable.The paper introduces the basic principle,structure, application method of the differential transformer type displacement sensor,With the 31DH/±8 mm model differential transformer type displacement sensor performance test experiment as the foundation, the application effect of the sensor is analyzed in detail, which prove that this kind of sensor has high temperature resistance, good linearity, high resolution and convenient use, etc, is the first selection of caliper sensors.

differential transformer ;displacement sensor;caliper

梁 冰，男，1970年生，工程师，2001年毕业于大庆石油学院计算机专业，现在从事工程测井仪器的研发工作。E-mail:Dlts_liangbing@petrochina.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)05-0083-04

2016-01-12 编辑：韩德林)