一种自动差动变压器式位移传感器寿命试验台的研制

任高林 张学伟 魏 强 王永亮 谭 旭 齐强强 宋安达

（中国航天空气动力技术研究院）

随着国民经济的不断增长，设备的自动化程度在各行各业中普遍提升，传感器的使用也越来越多。 差动变压器式位移传感器是用来测量移动、振动及膨胀等的高技术产品，具有精度高、动态特性好、工作可靠及使用简单等特点，在化工、航空航天、飞机、导弹、卫星、船舶及铁路等领域得到了广泛应用［1］。 高新技术位移传感器的开发也逐渐受到重视，新型号、新产品不断更新迭代，这意味着原来的寿命试验台装置很大程度上不再适用。 但是寿命试验对差动变压器式位移传感器非常重要，其动作时间、可靠性及寿命等指标，对产品的工作性能和经济性影响十分巨大。 因此差动变压器式位移传感器每次经历设计更新、改型或材料改进后，均需进行寿命试验。 普通的差动变压器式位移传感器寿命试验台，往往是定频次、定位移，专门用于某特定型号的位移传感器试验。 由于缺乏相对应的寿命试验台，厂家即便是生产出长寿命、亚长寿命的差动变压器式位移传感器，也大多是采用原来的寿命试验台进行简单的寿命试验分析，这种做法只能对差动变压器式位移传感器寿命进行定性分析，没有过多定量数据。

差动变压器式位移传感器是将被测位移量转换为变压器线圈的互感变化，它通过动杆和静杆切割磁感线的动作，将不可视化的位移等参数转换成可视化的电子信号， 经过信号处理器处理，形成直观的数字形式。 由于动杆涉及直线来回往复运动，目前主流上的差动变压器式位移传感器寿命试验台往往采用对心曲柄滑块机构（类似牛头刨原理）或蜗轮蜗杆形式。 采用对心曲柄滑块机构的工作台，往往在动杆和静杆的同轴度上无法长时间保持一定精度，导致寿命试验台在长时间连续工况下的可靠性不高；采用蜗轮蜗杆的工作台，在同轴度上没有问题，但是一旦涉及高频次往复直线运动， 则需要采用高速齿轮，这会使造价成本过高，往往令生产制造厂家不可接受。 另外，随着科技的进步，直线电机技术慢慢趋向成熟。 很多差动变压器式位移传感器寿命试验台采用了直线电机技术，但是直线电机在调整频次上比较困难，而且一旦涉及高频次往复直线运动，直线电机也束手无策，这就导致直线电机在差动变压器式位移传感器寿命试验台上应用十分受限。

笔者介绍的差动变压器式位移传感器寿命试验台克服了上述缺点，不仅在长时间恶劣工况下依旧可以保持较高的同轴度，增加寿命试验的可靠性， 而且在涉及高频次往复直线运动时，仍旧可以满足设计要求。 在试验中，往返次数、往返位移均可调节，因此该差动变压器式位移传感器寿命试验台可以试验多种型号的传感器，给生产制造厂家减轻大量经济负担［2］。

1 试验要求

对中国航天空气动力技术研究院研发的新型号差动变压器式位移传感器（Y/GE-W22-120）进行寿命试验，试验要求具体如下：

a. 温度-55～150 ℃，工作环境为高温加热箱；

b. 直线来回往返次数（试验频次）为每分钟120 次；

c. 有效位移为±22 mm；

d. 负载不超过1 kg；

e. 来回往返次数和有效位移均可自行调节。

2 试验目的

寿命试验是研究产品寿命特征的方法，是差动变压器式位移传感器可靠性试验中最重要的项目之一，是将产品放在特定的试验条件下考察其失效随时间变化的规律［3，4］。

笔者研制的差动变压器式位移传感器寿命试验台，在上述特定试验条件下，对新型号位移传感器进行循环寿命试验。 本试验的目的在于了解新型号位移传感器的寿命特征、 失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验中可能出现的各种失效模式［5～7］。寿命试验可以帮助设计者快速清晰地弄清失效机理，在失效分析的基础上，提高产品设计的可靠性，改进新产品的质量。

3 寿命试验台的结构组成

笔者研制的差动变压器式位移传感器寿命试验台包括动力源部分、传动部分、调节部分、试验部分和电控部分5 个模块，其结构如图1 所示。

图1 差动变压器式位移传感器寿命试验台的结构组成

3.1 动力源部分

差动变压器式位移传感器寿命试验台的动力源选择伺服电机。 伺服电机比步进电机和异步电机运行更加平稳， 不会产生类似于步进电机失步的问题， 适合于高精度场合； 高速性能好，一般额定转速能达到2～3 kr/min，适用于有高速响应要求的场合。 除此之外，伺服电机还有使用寿命长、抗过载能力强、发热少及噪音小等特点。 伺服电机与一般电机相比，启动转矩大，运行范围广，还无自转现象产生。 对点动、正/反转适用度高， 非常适合本次差动变压器式位移传感器寿命试验的要求。 伺服电机配合伺服控制系统，可以使物体的位置、方向及状态等输出被控量跟随输入目标（或给定值）的任意变化而变化。 目前差动变压器式位移传感器生产制造厂家多采用固定频率的寿命试验台做寿命试验，检测效率和精确性低，并不能真实有效地模拟差动变压器式位移传感器寿命曲线变化，从而使结果的真实性大幅降低， 也影响了试验效率。 所以可改变输出频率的伺服电机在差动变压器式位移传感器寿命试验台中的使用， 显得尤为重要。

动力源部分结构如图2 所示，包括伺服电机和电机支架。 伺服电机和电机支架、电机支架与工作台均采用螺栓连接，可拆卸，灵活方便。 工作台上表面横纵布满间距20 mm 的M6 mm 螺纹孔， 电机机架上也是φ8 mm 的孔，20 mm 间距布置。 这样设计有利于电机机架快速方便地安装。在工作台面上，任意孔的位置只要合适，都可以用相应的M6 mm 螺栓自由固定。

图2 动力源部分结构示意图

3.2 传动部分

传动部分由一个柔性联轴器、带梅花键的连接轴、盖板和一个弹簧组成，其结构如图3 所示。

图3 传动部分结构

笔者研制的寿命试验台采用柔性联接。 柔性联轴器联接伺服电机输出轴和带梅花键的连接轴的一端。 比起刚性凸缘联轴器，柔性联轴器具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，降低冲击尖峰载荷，缓冲减振，同时兼具过载安全保护功能。

传动部分和下游调节部分采用带梅花键的连接轴、盖板和一个弹簧联接。 这种柔性设计，代替了原来常用的销键联接。 弹簧装在传动部分和调节部分中间，用带梅花键的连接轴压紧，然后用盖板和螺钉将传动部分和调节部分联接起来。这是一个挠性设计，具有高扭矩刚性、高灵敏度、零回转间隙及迟滞小等特点， 可进行高精度传动。 弹簧可以吸收振动，补偿径向、角向和轴向偏差，保证整体同轴度。此挠性设计对于正/反转、点动等都有优异的耐久性。

带梅花键的连接轴上有8 个梅花键，均匀布置，可以平衡传力载荷。 与配合的梅花槽大小尺寸一致，可替换性好，零回转间隙，高扭矩刚性传递，非常适合有高速转动要求的场合。

笔者研发的差动变压器式位移传感器寿命试验台是一种可以进行多种规格型号的传感器寿命试验的装置， 因此不仅要能满足有低频、低速的要求，还要适用有高频、高速要求的场合。

3.3 调节部分

调节部分结构如图4 所示，该部分由一个凸轮和一个套筒焊接而成，对称布置。 凸轮上开有一个销键孔，用来进行销键结构联接，套筒里的梅花孔与相应的上游带梅花键的连接轴联接。 凸轮的大小决定了后面直线来回往复运动的最大位移量。 实际使用过程中，此部分可更换，只需替换此部件，就可以进行不同位移参数传感器的寿命试验。

图4 调节部分结构

市面上，虽然采用对心曲柄滑块机构的寿命试验台，也可以将轴向转动转换为直线来回往复运动，但是此类工作台工作时间一长，往往无法保证运动方向始终在同一条水平线上［8］。 这样会导致测量结果不准确，而且加剧了差动变压器式位移传感器中动杆和静杆的摩擦，减少了差动变压器式位移传感器正常的使用时间，测量结果往往不能让设计者满意。

笔者研发的差动变压器式位移传感器寿命试验台就很好地解决了这个问题，调节部分采用对称布置，这样可以使整个运动系统受力更加均匀，多增加一个支点，加强了轴承轴的刚度，减小力传递方向上的分量，可以确保运动方向始终保持在一条水平线上。

3.4 试验部分

试验部分由轴承轴、轴承、挡圈、活塞杆和试验杆组成，如图5 所示。

图5 试验部分结构

轴承轴和活塞杆之间设有一个轴承，活塞杆是分瓣设计， 轴承靠轴承轴轴肩和轴向挡圈固定。

活塞杆利用轴承轴上传递来的力矩，带动活塞头在活塞筒内做直线来回往复运动。 这种活塞式设计，可以保证活塞头和活塞筒运动过程中的同轴度，对比对心曲柄滑块机构，这种设计结构高速状态下的同轴度和可靠性更高。

活塞头上开有一个螺栓孔， 用于试验杆联接。 试验杆一端是外螺纹，一端是内螺纹，用来联接试验件（动杆）。 动杆实物如图6 所示。

图6 动杆实物图

3.5 电控部分

一般的寿命试验台，试验时间、试验挡位及数据记录等均由人工操作， 人员劳动强度大，试验管理混乱［9～12］。

笔者设计的差动变压器式位移传感器寿命试验台控制系统以单片机可编程控制器为核心，并以触摸屏为人机交互界面。 操作界面友好，可设置试验件试验时的来回往返次数和时间，并将数据储存在读卡器里，用于直接拷贝，并可打印成相应的报告。 控制系统通过单片机控制伺服电机的输出频率，进而实现差动变压器式位移传感器寿命试验台可以调节试验次数的目的。 也正因为出于可以调节试验次数的想法，选用了更为稳定可靠的伺服电机，并在整个差动变压器式位移传感器寿命试验台中设计了两处柔性机构，用来提高整个差动变压器式位移传感器寿命试验台的安全使用寿命。

控制板硬件组成框图如图7 所示。

图7 控制板硬件组成框图

单片机采用功能强大的8 位单片机，它可以通过时钟电路来计算试验频率，并且通过简单的通用IO 口的开关量输入输出控制伺服电机驱动器，检测报警输入信号，并在特定条件下驱动蜂鸣器声光报警［12～16］。

3.6 其他部分

整个寿命试验台装置除上面介绍的几部分外，还有一些辅件比较重要。整个装置搭建在一块外形尺寸为1500 mm×800 mm×20 mm 的工作台上， 它的上表面横纵布满间距20 mm 的M6 mm螺纹孔（图8）。

图8 工作台

装置外壳分为上下两部分（图9），为可拆式箱体结构。 下部与活塞筒相连的侧板，使用线切割技术一体成型，这样保证了活塞筒和活塞运动方向的同轴度，提升了整个试验装置的可靠性和一致性。 可拆式箱体结构设计，方便安全，安装和固定简单。 如果试验过程中出现故障，只要打开上表面，就可以清楚地看到整个差动变压器式位移传感器寿命试验台的内部结构，方便及时发现问题并进行故障处理。

图9 装置外壳

活塞筒采用可拆卸连接（图10），开孔大小和间距与工作台的螺栓孔保持一致， 这样可以使用同种规格螺栓。活塞筒下面设有一个减重孔，这样可以减轻活塞筒的总重量，节省材料，增加刚度。

图10 活塞筒

整个试验台使用耐热材料，除伺服电机和电控部分外均可以放在高温箱里，模拟现实工况环境，提高试验数据的可靠性。

4 试验结果

本试验台针对新研制的两种型号差动变压器式位移传感器 （Y/GE-W22-120 和Y/GE-W14-195）， 分别进行了不低于350 h 连续工作的寿命试验，其相关参数见表1。通过对试验后的差动变压器式位移传感器进行性能检测， 发现工作正常，也证实了本试验台可以针对不同位移和频次的差动变压器式位移传感器进行寿命试验。

表1 两种型号差动变压器式位移传感器连续工作的寿命试验参数

5 结束语

笔者设计的差动变压器式位移传感器寿命试验台是一套自动测试系统。 它通过单片机对控制系统和调节部分编程，实现寿命试验中频率和位移均可调节的目的。 差动变压器式位移传感器的寿命试验可以让设计者第一时间获得第一手资料， 利用差动变压器式位移传感器的寿命特征、失效规律、失效率、平均寿命以及在寿命试验中可能出现的各种失效模式，对差动变压器式位移传感器进行性能提升和完善。

从实践效果来看，本次研制的差动变压器式位移传感器寿命试验台可以满足全部初始试验要求，并可以真正做到一机多用，在长期无人值守状态下工作，其结构简单、性能稳定可靠、自动化程度高，实现了预期设计目的。 为传感器厂家提供了一种简单可靠的寿命试验台，节约了大量人力物力成本，具有良好的市场前景，该差动变压器式位移传感器寿命试验台还可以推广应用于其他类似产品的寿命试验。