一种高频响拉杆式位移传感器设计与校准研究

王东颖，杜文斌，雷 强，任俊龙

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

高炮自动机是防空高炮火力系统重要的组成部分，它具有结构复杂紧凑，机构运动速度高、强度大等特点[1-2]。其中自动机炮箱位移、速度、加速度以及闩体位移、速度、加速度等运动参数的准确测试，对于火炮结构的优化设计、射击过程中的状况监测与故障诊断，以及对射击精度影响程度的分析判断，都有着非常重要的意义。

由于自动机具有速度高、往复行程范围宽、冲击振动强烈和高过载等特征，加之火焰、灰尘等恶劣环境的影响，上述动态运动参数测试难度很大。一般常见的诸如拉线式、电阻式、光电式、磁致伸缩式位移传感器都难以耐受火炮射击的使用环境。

螺线管电感式[3]、LVDT差动变压器式位移传感器与拉杆式电涡流位移传感器的外形与原理相似，这两种电感式传感器在航空、航天、机械、建筑、纺织以及化工领域都有广泛应用。与拉杆式电涡流位移传感器类似，由于它们的可动铁芯和线圈之间没有实体接触，因此具有对运动构件影响小、不受粉尘、烟雾和雨滴的影响等优点。

电感式与电涡流式拉杆位移传感器的差别在于：基于电感原理的位移传感器载频一般为0.40～10 kHz[4]，频响较低(频响<100 Hz);基于电涡流原理的拉杆式位移传感器的载频为2 MHz，无高导磁率铁心，高频特性显著(频响>2 kHz)，且结构简单坚固，抗强冲击振动，可满足高炮自动机的位移，此外，由于其位移信号的信噪比良好(优于40 dB)，可方便地通过软件微分的方法获得相应的速度与加速度信号。

1 拉杆式位移传感器研制原理

拉杆式电涡流位移传感器(以下简称传感器)是基于电涡流原理实现位移测试，简化模型如图1所示，工作原理如图2所示。传感器腔体内有一只前后贯通的芯管，芯管上绕有一组线圈并接有高频振荡信号。当金属测量杆在线圈中运动时，线圈的等效电感量随测量杆上的感生电涡流的变化而变化，在一定范围内，测量杆进入线圈的长度变化量Δd与振荡信号频率的变化量Δf成正比，与拉杆式电涡流位移配套的拉杆位移测试仪通过鉴频的方法最终输出与Δd成正比的电压信号。

传感器腔体内的线圈是前置振荡器的电感组件，前置振荡器工作时，线圈中加载高频振荡信号，则振荡频率计算式为[5]

(1)

式中：f0为振荡频率；L为电感；C为电容.

当测量杆进入线圈时，因涡流损耗导致线圈的等效电感量随测量杆伸入线圈的长度而变化，电感量按照式(2)、(3)[6-7]计算：

L=L0-Lnd，

(2)

L0=4πμn2sD，

(3)

式中：L0为线圈固有电感；μ约等于真空导磁率；n为单位长度内的线圈匝数；s为传感器芯杆横截面积；D为线圈总长度；Ln为单位长度因电涡流损耗产生的等效电感；d为铜测量杆伸入线圈的长度。

将式(2)带入到式(1)中可得：

(4)

(5)

因此，频率的变化量Δf0可表示为

(6)

由于Ln与L0均为常数，所以在一定范围内，铜测量杆进入线圈的长度变化量Δd与振荡信号的频率的变化量Δf0成正比，拉杆位移放大器通过鉴频的方法最终输出与Δd成正比的电压信号。

测试原理框图如图3所示，表示了该传感器在靶场测试实际应用时的工作流程，由数据采集器记录传感器的输出电压信号，并通过软件微分运算与处理得到相应的运动速度与加速度信号。

2 电测法校准

位移传感器的动态校准长期以来一直是一个计量领域的技术难题，因为很难找到一个以一定位移量程快速往返运动且较为平稳的运动机构。振动位移传感器的频率响应的鉴定依据是标准振动台，而振动台的推力有限，在100 Hz频率点上的振动位移小于1 mm，因此难以对具有较大行程的拉杆位移传感器进行校准[8-9]。

为了能够实测出传感器整个系统的动态响应能力，需对整个系统进行动态校准。由于拉杆式电涡流位移传感器的幅值线性与频响取决于其配套放大器的电气性能指标，因此可采用电信号等效的方法进行拉杆位移测试仪的幅值与频响校准。电测法校准流程如图4所示，标准信号源产生一个模拟传感器输出的调制信号，经高频电容耦合接入放大器。放大器对该调制信号进行解调，输出与模拟位移信号成正比的电压信号，以实现放大器的幅值及频率校准。

2.1 拉杆位移测试仪线性误差的校准

拉杆位移传感器配套放大器的校准原理为：通过标准信号源产生一个与拉杆位移传感器相同的载波信号，并对该载波信号进行频率调制，通过改变调制信号的频偏，可等效于拉杆位移传感器的不同位移幅值，从而校准其幅值线性。通过改变调制信号自身的调制频率(此时频偏固定)，可等效于被测位移在等幅振动下的不同振动频率，从而校准其频响特性。

具体校准示例为：将函数发生器的输出电压信号通过约0.01 μF独石电容接入测试仪，测试仪的输出接入数据采集机。函数发生器输出频率为2 MHz、幅值为1 V的正弦信号，调节测试仪的“频率调谐(粗调、细调)”旋钮，使测试仪的输出电压在0 V附近(±100 mV)，预热0.5 h.将函数发生器的输出信号设定为调频输出(FM)模式，载频依然为2 MHz，调制频率为50 Hz，在1.97～2.03 MHz的频偏范围内，平均选择7～8个点，依次改变频偏量级，数据采集机以不小于10 kHz的采样率记录相应各点的电压信号。确定线性误差时，工作直线采用端点直线，按式(7)计算：

(7)

表1为拉杆传感器配套放大器的幅值线性度校准结果，载频为2 MHz；调制频率为50 Hz；采样率为每秒10 000个采样点。经计算，表1的线性误差为0.63%.

表1 幅值线性度

2.2 拉杆位移测试仪频响的校准

将函数发生器的输出信号设定为调频输出(FM)模式，载频为2 MHz，频偏固定为8 kHz，从10 Hz开始，以1、2、5、10的倍率逐级增加调制频率，数据采集机以不小于200 kHz的采样率记录相应各点的电压输出峰峰值，并计算各点电压峰峰值与10 Hz点的比值，直至该比值降至0.7(±0.1)时，该点频率即为测试仪频响。

表2为拉杆传感器配套放大器的幅值线性度校准结果，频偏为8 kHz；采样率为每秒200 000个采样点。

表2 拉杆位移放大器频响

3 动态校准

对于位移传感器的动态校准，关键是要有一个能够产生较大行程往复运动的振动位移发生源。该振动源的频率可以在一定范围内改变，并配以高精度动态位移标准测量设备，以确定被校传感器的频响并赋予动态位移灵敏度。项目组研发了一套目前国内最大行程的振动源，其往复运动频率范围为1～104 Hz，往复行程为±25 mm.可利用该振动源对拉杆位移传感器进行动态校准。拉杆传感器频响校准示意图如图5所示，在标准工作台架上，由发动机活塞杆带动目标板做高频往复运动，目标板的一端与被校传感器的探测杆刚性连接，采用激光测振仪作为动态位移标准测量设备。激光测振仪的探测方向与被校传感器的轴向平行，且与目标板的往复运动方向平行。通过比较激光测振仪位移输出信号与被校传感器的位移输出信号，实现频响校准。

频响校准单元的校准测试仪为OFV-525-5000型激光测振仪，该测振仪的位移分辨率高达1 μm，位移线性度为±0.1%(全量程)。高频往复运动机构的往复频率与往复行程的测试结果如表3所示。

表3 测试结果

4 靶场应用

在某厂高炮自动机的出厂交验试验中，选用系列拉杆位移传感器中的60 mm量程与150 mm量程的两种规格的传感器，测量自动机的炮箱运动位移，验证该系列位移传感器在火炮连续射击过程中的位移测试精度、操作方便性以及测试稳定性。

4.1 双管自动机炮箱位移测试

采用两只60 mm量程的拉杆位移传感器，其探测杆分别安装于左、右炮箱上，传感器腔体固定在炮架上，如图6所示。

4.2 单管自动机炮箱位移测试

采用1只150 mm量程的拉杆位移传感器，其探测杆安装于炮箱上，传感器腔体固定在炮架上，如图7所示。

应用拉杆位移传感器进行小口径火炮炮箱运动位移测试，靶场实测数据如图8～9所示。由测试曲线可知，拉杆位移传感器所测得的炮箱浮动位移的数据稳定可靠，测试曲线毛刺较少，可清晰判定每组的实弹射击发数并准确计算火炮射速。由于测试曲线的信噪比好，有利于进一步的微分运算，以得到相应的炮箱运动速度和加速度曲线。

5 结束语

笔者研制的系列拉杆式电涡流位移传感器(60、90、150、200、300和750 mm)及配套放大器，以其优良的环境适应性与高频响特性，适用于高炮自动机闩体、炮箱、滑板等运动部件的多参数测试，并且能够满足高炮自动机射速不断提高的发展要求。其独特的振荡器分离技术，实现了放大器与传感器的远程分离，提高了测试精度，方便了靶场测试操作并提高了安全性。