旋转可变差动变压器（RVDT）的应用研究

刘兴亮

(兰州石化职业技术学院 机械工程学院，甘肃 兰州 730060)

0 引言

旋转可变差动变压器（RVDT）是一种角位移测量装置，具有无限分辨率，使用寿命长，精度高的特点，特别适合于高温、严寒、潮湿、高速、高震动等场合，因此在军用和民用领域获得广泛应用[1]。本文根据RVDT在旋转类和直线类执行机构中的工程实际应用，总结了RVDT在不同安装方式下的优缺点，并阐述了其使用过程中应注意的问题。

1 旋转可变差动变压器在旋转类执行机构的应用

在旋转类执行机构中，为实现机构角位移的测量和反馈，一般将旋转可变差动变压器（RVDT）安装于执行机构的最末级输出部位。在实际使用中，传感器与执行机构输出轴普遍采用两种联接方式：一种是联轴器直接联接，另外一种是齿轮啮合间接联接[2]。

1.1 联轴器直接联接方式

用联轴器将旋转可变差动变压器（RVDT）的转轴和执行机构输出轴直接联接,从而将执行机构输出的旋转运动直接传递到传感器的转轴上。这种直接联接方式，虽能有效避免传动误差对输出指标的影响，但安装结构会增加轴向空间，不利于整个系统的可靠性提升。例如有些系统需要多余度控制，联轴器直连方式不利于多个传感器的布局，且使用单体多余度RVDT其价格也比较昂贵，经济性差。另外，旋转可变差动变压器（RVDT）的转轴长期受到径向载荷时会产生变形，影响线圈之间的互感，导致RVDT的输出精度和使用寿命降低，因此，直联这种安装形式对同轴度的安装要求比较高。

在确保一定安装同轴度的基础上，联轴器最好选用柔性联轴器，只有确保联轴器具有极强的柔性,才能有效克服安装误差造成的影响[3]。成品柔性联轴器可直接购买德国MK系列微型波纹管联轴器，其结构形式见图1。

图1 微型波纹管联轴器

1.2 齿轮啮合间接联接方式

由于联轴器直接联接方式在轴向空间和可靠性提升方面存在不足，所以在旋转类执行机构中，多采用齿轮啮合间接联接的方式，其结构形式见图2。该结构设计比较灵活，传动可靠，可以通过调整齿轮之间的传动比来调整RVDT的工作角度，从而使输出轴旋转角度和RVDT的电气行程相适应，其中输出轴工作角度和RVDT工作角度关系如下式所示：

式中α——RVDT工作角度

θ——输出轴工作角度

Z1、Z2——分别为齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ的齿数

齿轮啮合间接联接方式便于RVDT沿输出轴圆周布置，可实现用多个单余度RVDT实现系统的多余度控制，提高系统可靠性。应用此种方法可以使齿轮传动具有较高的运动精度和传动平稳性,但还必需尽可能消除配对齿轮之间的传动间隙,否则会对传感器反馈信号的精度造成严重影响，解决办法是使用消隙齿轮。

2 旋转可变差动变压器在直线类执行机构的应用

图2 齿轮啮合间接联结方式

在直线类执行机构中，为采集直线位移信号，多采用线性可变差动变压器(LVDT),但LVDT结构长度较长，在直线类执行机构上应用时，LVDT的长度一般会超过整个执行机构的总长，所占的体积较大，安装比较困难。因此，可采用RVDT来反馈直线类执行机构的位移，这样可以使设计更加紧凑，减少其体积和重量。

使用RVDT来反馈直线类执行机构的位移的传动方案为：通过螺旋导槽将输出轴的直线运动转化为旋转运动，经联轴器直接传递或齿轮啮合间接传递到RVDT，其传动示意图见图3。这种方法可以通过调整螺旋导槽的导程和齿轮齿数来适应RVDT的工作行程，应用比较方便。工作时，执行机构输出轴的直线运动，变换为螺旋槽的旋转运动，此时RVDT工作角度和螺旋导槽的导程关系如下式：

式中α——RVDT工作角度

L——输出轴工作行程

λ——螺旋导槽的导程；

Z1、Z2——为齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ齿数

用RVDT来反馈直线类执行机构的位移，虽使设计更加紧凑，可以减少体积和重量，但增加了导程槽的制造精度，且采用了多级传动，会造成输出轴位移和RVDT输出存在偏差。因此，使用这种传动方式时，除了要保证在输出误差范围内提高导程槽的制造精度外，还应注意滑块与导程槽间的配合间隙。

图3 从直线运动到RVDT旋转运动的传动示意图

3 使用过程中应注意的问题

结合工程实际使用经验，旋转可变差动变压器（RVDT）在具体应用过程中,不管使用在哪种类型执行机构中，都需要注重以下几点：

（1）采用联轴器直接联接方式时，在确保输出轴和传感器轴的同轴度情况下,还应密切关注作用在输出轴上的荷载变化,有可能造成输出轴和传感器联接的径向跳动,影响传感器的输出。

（2）采用齿轮啮合间接联接时，采用消隙齿轮来尽可能消除配对齿轮之间的传动间隙，一般采取双齿轮错齿式消除间隙结构，见图4。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮啮合。两个薄齿轮套装在一起，并可作相对回转，中间装有一个扭簧。弹簧的扭力使薄齿轮错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙。在正向和反向旋转时，分别只有一片齿轮承受扭矩，因此承载能力受到了限制。在设计时必须计算弹簧的扭力，使它能够克服RVDT驱动时所需的最大扭矩，否则将失去消除间隙的作用。

（3）RVDT在应用过程中,传感器的输出电缆应为屏蔽电缆，而且要确保屏蔽电缆要正确接地。RVDT会因电缆的长度不同，导致其输出数值不同，电缆越长越容易产生较大的误差,从而影响传感器的使用性能指标[4，5]。一般电缆线越长，其输出的电压值越大。

图4 双齿轮错齿式消除间隙结构

4 结束语

旋转可变差动变压器（RVDT）具有很强环境适应能力，而且精度高，使用寿命长，值得广泛推广应用。本文分析了旋转可变差动变压器（RVDT）在旋转类和直线类执行机构中的实际应用，并总结了其在两种执行结构运用中的优缺点，并提出了相应的使用建议和注意事项，希望使用该类型传感器的工程人员在设计和使用时，能够规避相同的问题，正确使用，RVDT将有广阔的使用空间。