镍铬合金导线在差动变压器式位移传感器中的应用研究

2021-03-26张永超赵录怀庞鹏飞

传感器与微系统 2021年3期

张永超, 赵录怀, 庞鹏飞

(1.西安交通大学城市学院，陕西西安 710018；2.西安交通大学电气学院，陕西西安 710048)

0 引言

差动变压器式传感器(下称传感器)具有准确度高、线性度好、结构简单、灵敏度高、使用寿命长和环境适应性强等优点。目前，传感器的初级线圈通常采用铜质漆包线，铜线圈的温度稳定性差，抗腐蚀能力弱，温度变化引起电阻的变化较大，导致传感器输出电压发生变化引起误差，进而影响传感器的灵敏度和测量精度[1～4]。

镍铬合金导线具有温度稳定性好、抗腐蚀性强的优点[5]，本文比较了基于镍铬合金导线和铜质导线为初级线圈的传感器测量系统，系统由传感器、信号调理电路、现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)和显示电路组成[6～9]。试验结果表明采用镍铬合金导线比铜质导线组成的系统温度稳定性好、测量精度高。

1 两种材质线圈的传感器温度误差分析

1.1 两种材质线圈的温度变化参数比较

根据实际情况选择直径0.5 mm，长30 m的铜导线和镍铬合金导线作为初级线圈材质，其导线电阻率为

ρ(T)=ρ0(1+α(T-T0))

(1)

式中ρ0为在温度T0下的电阻率，ρ(T)为温度T时的电阻率，α为电阻温度系数。再结合公式R=ρl/s计算出电阻，通过计算两种材质电阻变化如表1所示。

表1 两种材质温度变化参数比较

由表1中可知，在相同规格下，温度每上升20 ℃镍铬合金导线的电阻变化率比铜导线小7.98 %。

1.2 两种材质线圈的传感器温度误差分析

传感器由初级线圈、2个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。其等效电路如图1所示。

图1 差动变压器式传感器的等效电路

当活动衔铁向上移动x时M1>M2，22增加,22减小。反之，22增加，21减小。因2=21-22，所以当21,22随着衔铁位移x变化时，2也必将随x变化。

根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为

(2)

(3)

则

(4)

式中r1为初级线圈的内阻，当其他参数不变时U2=f(r1)，r1又是T的函数，则U2=g(T)。

传感器的初级线圈材质分别为铜和镍铬合金时的输出电压分别Ucopper是和Ualloy，当温度变化时ΔUcopper>ΔUalloy，按照传感器原理ΔUcopper和ΔUalloy的变化只能是x的函数。

因此，当温度变化时铜线圈比镍铬合金线圈引起的电压变化量大，即引起的误差大。

2 系统硬件设计

2.1 系统总体设计

差动变压器激励信号由信号发生器产生，本文设计了基于铜和镍铬合金导线为初级线圈的传感器、信号调理电路、FPGA和显示电路组成，系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

2.2 差动变压器传感器的激励信号选取

传感器的激励电压的频率和幅值，与传感器的灵敏度、线性度和零点残余电压有直接的关联。

提高激励频率有利于提高线圈的品质因数和传感器的灵敏度。如果激励频率太高，导体的有效电阻将增加，涡流损耗和磁滞损耗将增加。线圈间耦合电容的影响增强，零剩余电压增加。

增加激励幅度可以提高灵敏度，幅值过大绕组加热将会增加，将导致行温度漂移，磁饱和增加了零剩余电压。如果激励幅度太低，精度和灵敏度会降低，零点附近的测量灵敏度急剧下降。

基于此，试验设备选择TFG2015A型号的信号发生器。选取激励的频率为6 kHz，幅值为2 Vpp进行实验，使得传感器的输出电压在50～520 mVpp之间变化。

2.3 信号调理电路设计

传感器输出信号为交流信号，FPGA的A/D输入电压范围为直流0～3 V，通过信号调理电路将传感器输出的交流信号调理为直流0～3 V，信号调理分为两步：整流滤波;信号放大。

整流滤波电路采用运算放大器集成电路芯片OP07，设计的电路为正半波整流电路，输入信号从运算放大器的反相端输入，通过半波整流电路将正弦信号下半部滤除，只保留上半波形，达到整流电路的设计目的。在半波整流后的输出端连接一个π型滤波电路，使得脉动电压的交流分量大部分降落在电阻的两端，少部分降落在负载上，起到滤波作用，整流滤波电路如图3所示。

图3 整流滤波电路

信号放大电路采用OP07芯片，用T型电阻网络实现反馈，可以在减小温漂误差的同时，又获得较大的放大倍数和较高的输入电阻，T型电阻网络放大电路如图4所示。

图4 T型电阻网络放大电路

2.4 主控芯片及显示电路设计

主控芯片选用CYCLONE Ⅱ系列型号为EP2C8T144C8的芯片，显示电路选用1602LCD液晶显示器。

3 测试分析

为了比较镍铬合金导线和铜导线因温度变化引起系统误差的大小，进行试验比较。

试验具体步骤为：1)对差动放大器调零;2)零点残余电压补偿;3)选取频率6 kHz，幅值为2 Vpp的激励电压;4)旋转螺旋测微器使差动变压器的铁芯由上至下移动，每移动1 mm，通过LCD显示器观察并记录输出电压。重复10次试验步骤，取其平均值，记录铁芯位移和对应输出电压，绘制位移与输出电压关系曲线。

在初级线圈为铜和镍铬合金导线，温度为20，40 ℃的情况下，分别试验并绘制位移与输出电压关系如图5所示。