浅谈磁阻式角位移传感器温度误差及补偿

2018-06-28苗伟

机电信息 2018年18期

苗伟

（陕西东方航空仪表有限责任公司，陕西汉中723102）

0 引言

磁阻式角位移传感器是将机械角位移转换成与输入角度成函数关系的电压输出器件，按其工作原理分为三大类：（1）将角度变化量的测量转换为电阻变化测量的变阻器式角位移传感器；（2）将角度变化量的测量转换为电容变化的电容式角位移传感器；（3）将角度变化量的测量转换为感应电动势变化量测量的磁阻式角位移传感器。

磁阻式角位移传感器基于电磁感应定律和电磁力定律，采用电磁耦合方式，实现非接触式设计，具有分辨率高、可靠性高的特点。

磁阻式角位移传感器的精度通常都是在标准温度（20±5）℃的条件下标定的，但角位移传感器实际工作环境温度往往由低温负几十度变化到高温上百度。磁阻式角位移传感器采用激磁绕组与输出绕组进行电磁耦合，从而将机械角位移的机械量转换为模拟电压量输出，由于绕组线圈的存在，导致磁阻式角位移传感器静态特性与环境温度影响密切相关。因此需要研究一种高低温环境下对角位移传感器输出精度的补偿方法，使其满足工程应用指标。

1 磁阻式角位移传感器输出特性及温度误差产生原因分析

磁阻式角位移传感是一个四极式角位移微动同位器，其定子上有四个磁极，转子上有两个磁极。如图1所示，定子磁极上绕有一个激磁绕组和两个输出绕组，两个输出绕组匝数相等，串联后通过导线输出，当转子相对定子处于结构零位时，由于转子的磁极与相对定子磁极之间气隙磁阻相等，故两个输出线圈的感应电势大小相等、方向相反，互相抵消后输出电压为零。当转子偏离结构零位时，由于转子与定子磁极之间气隙磁阻的变化，使得两个线圈的感应电势一个增大，一个减小，其差值就是产品的输出电压。

图1 磁阻式角位移传感器原理图

磁阻式角位移传感器受温度影响主要是输出绕组线圈感应电动势降低，在输出绕组线圈匝数没有发生变化的情况下，感应电势降低的主要原因是通过输出线圈的磁通量减小。因此，单向分析高温下磁通量的变化情况，可知磁通量在高温下减小的主要原因为激磁线圈绕组的阻抗在高温环境下增大，在激磁电压不变的条件下，激磁线圈绕组电流减小，从而导致激磁绕组的磁通量减小。在磁路环境不变的情况下，激磁磁通减小则导致通过输出线圈的磁通量减小，从而使输出绕组感应电势减小。而在同一输入角度，根据L=匝数2/磁阻可知，产品的感抗不发生变化。

因此，导致磁阻式角位移传感器在高温下输出电压减小的主要原因为激磁线圈直流电阻受温度影响而增大。

2 温度误差补偿的原理及方法

2.1 温度补偿原理

设被测物理量为x，环境温度为T，则磁阻式角位移传感器的输出y为：

式（1）表明，角位移传感器的输出不仅与被测量有关，还与环境温度有关，如果角位移传感器的输出y与被测量x为非线性关系，其函数式为：

则磁阻式角位移传感器的温度灵敏度ST为：

若忽略x的高次项，则ST可简化为：

式中，表示角位移传感器的输出零点随温度的变化程度，其大小反映了传感器静态特性参数的温漂大小表示传感器的输出特性曲线受温度影响的情况。可见，若要消除温度对传感器的影响，必须满足：

因此，式（5）就是磁阻式角位移传感器的温度补偿条件。

2.2 温度补偿方法

磁阻式角位移传感器温度补偿方法很多，这里介绍一种并联式温度补偿方法，即人为地附加一个温度补偿环节，如图2所示，该补偿环节与被补偿环节并行相连，使补偿后的合成输出特性基本不随环境温度变化。

图2 并联式温度补偿

图2 中，被补偿部分输出特性为：

补偿部分输出特性为：

由图2可以得到总输出y1与输入x、温度T的增量表达式：

可见，为达到温度补偿的目的，应按照下列条件选择温度补偿环节的参数：

从式（9）可以看出，如果令A1（T）=A1′（T），则测量灵敏度可以提高一倍。

根据以上分析，针对磁阻式角位移传感器高低温误差变化较大的现象，采用并联式温度补偿法。通过在其激磁端绕组中增加负温度系数的热敏电阻，来补偿输出绕组感应电动势的降低。

2.3 实验验证

为验证绕组在高温环境下直流电阻值的变化，通过对角位移传感器进行150℃高温环境下输出电压及直流电阻的测量，发现当角位移传感器温度达到平衡后，输出电压降低90 mV左右，激磁绕组的直流电阻值由原来的90 Ω增加到126 Ω，输出绕组的直流电阻值由原来的286 Ω增加到397 Ω。在-55℃的低温箱，使其温度达到平衡后，输出电压升高80 mV左右，激磁端直流电阻值由原来的90 Ω减小到65 Ω，输出直流电阻由原来的286 Ω减小到220 Ω。

实验验证情况进一步证明了影响磁阻式角位移传感器在高低温环境下输出电压精度的主要原因是漆包线绕组在高低温环境下直流电阻阻值的变化。通过对该型角位移传感器在高低温条件下绕组阻值进行分析，对激磁绕组补偿约30 Ω即可满足绕组感应电势的要求，而通过对热敏电阻进行分析论证，由于热敏电阻在-55～+150℃范围内阻值变化率较大，因此需将热敏电阻与精密电阻并联后用于线圈绕组感应电势的补偿。经实验验证，在高低温环境下，进行并联温度补偿的角位移传感器精度满足不大于0.3°的工程应用指标。