一种用于转子位移测量的差动变压器式传感器

杨弘德

（山东省莱芜第一中学，山东莱芜，271199）

0 引言

本文以差动变压器式位移传感器为研究对象，以转子位移测量为应用基础，设计了一种具有容错能力的转子位移传感器，并就其容错机理进行了结构和原理性分析，为转子的高可靠性位移测量提供技术参考。

1 传统的差动式转子位移传感器

1.1 传统的差动式转子位移传感器结构分析

图1 差动式位移传感器示意图

转子位移传感器主要用于旋转机械的转子偏移测量，如经常作为关键设备应用于高速电机、磁悬浮轴承的控制系统组成部分，在特定控制算法的作用下实现转子的稳定可靠悬浮，相应的转子位移传感器结构示意如图1所示。

在图1中，左右两侧各有两组线圈缠绕在铁芯上，其中Na1与Na2分别表示差动式位移传感器铁芯上的初级线圈；Nb1与Nb2表示差动式位移传感器铁芯上的次级线圈；Uin表示传感器上初级线圈串联后所接的外部励磁电源的电压值；Uout表示次级线圈按特定的电势反相串接得到的输出电压值；δ1与δ2为上下铁芯与被测物体间的气隙；而两变压器之间的距离固定为L，所以δ2也可以表示为L-δ1，li（i为a、b、c、d）分别表示各段导磁体（变压器铁芯和被测物体）的长度；S为铁芯与被测物体间气隙截面积；Si（i为a、b、c、d）为各段变压器铁芯和被测物体之间导磁体的截面积。经相关运算推导可得差动变压器式位移传感器的输入输出关系表示式如(1)所示。

进一步推导可得到物体上下位移的表达式如(2)所示。

1.2 传统的差动式变压器式转子位移传感器工作原理

综上所述，差动变压器式位移传感器是基于差动变压器原理设计而成的。在实际应用过程中，当被测对象（如转子）位移发生变化时，传感器上的次级线圈之间的互感就会变化，导致实际所测对应的输出电压也随之发生变化，接着通过事先设计好的外部处理电路将感应得到的电压变化信号转换为与被测物体位移大小和方向，进而实现位移的实时检测目的。

因此为了实现对转子位移的测量，在任意两个不同方向上安装该位移传感器装置，就可以检测出中心转子的位置，其结构通常设计成如图2所示。

图2 两个互相垂直方向布置的转子位移传感器结构示意图

在图2中，以水平方向建立x轴，以竖直方向建立y轴，当传感器全部正常时，若测得水平方向位移传感器的输出电压为u1out，竖直方向位移传感器的输出电压为u2out，因为输出电压u1out与u2out与转子位移量存在线性关系，所以u1out与u2out所对应的是转子在x与y方向的位移分别为xoffset与yoffset，则表示转子偏离正常工作坐标（0,0）位置，转子在位置水平方向偏移xoffset，竖直方向偏移yoffset（xoffset与yoffset是代数量，有正负号）。因此，该传感器可以实现对转子位移的实时检测。

1.3 传统的差动式转子位移传感器优势分析

从以上的叙述可以知道，差动式转子位移传感器具有一系列优势，主要体现在以下几点：（1）无机械接触。转子与铁心磁极之间是无接触的，只需要电磁关系进行信号传递，避免传感器摩擦损坏，可延长使用寿命。（2）响应速度快。正是基于这种非接触的位移测量方法，具有较宽的频率响应能力，对于快速运转的转子振动测量十分有效。（3）高线性度。高度的线性化是差动变压器式位移传感器的主要特征，有助于电压位移的关系换算，提高了传感器精度。

1.4 传统的差动式转子位移传感器存在问题

虽然差动变压器式位移传感器存在2.3所描述的系列的优点，但目前的差动变压式位移传感器由于无容错，如果制造时出现问题或由于其他原因如过载，二次短路或分接开关压接不良，对变压器造成影响甚至烧坏了变压器，一旦有任何一组变压器出现问题，机器便不能正常使用。若该仪器在某些场合需长期使用，或使用在与日常生活息息相关的方面，一旦出现问题，便会造成不必要的影响，若保证其能够长时间正常运行，则又浪费人力时刻对其进行检查。

仪器损坏后，不能正常使用，若进行维修，一般有两种方法，一种为仅更换损坏的变压器，另一种是将装置全部更换，由于第一种方法较为复杂，维修时大多采用第二种方法，这样做会浪费没有损坏的变压器。如果不进行维修，则需更换新的传感器。不论何种方法，都会对资源造成浪费，增加生产成本。同时，也会耽误时间，延长工期。

2 具有容错能力的转子位移传感器设计

2.1 具有容错能力的转子位移传感器结构分析

本文改进后的具有容错能力的转子位移传感器由三组差动传感器结构组成，六个线圈之间的夹角为60度，如图3所示。

图3 具有容错能力的转子位移传感器结构示意图

由上述原理可知，电压U与位移X呈线性关系，若3组差动式位移传感器的输出电压分别为u1，u2，u3，设其对应的位移分别为x1，x2，x3。同样以水平方向建立x轴，以竖直方向建立y轴。若三组差动式变压器全部正常，则仅需两组数据即可测出此时转子偏离中心的位移，此处以用第1第2组数据为例进行位移计算，在x与y方向的偏移如(3)(4)所描述。

若为其他传感器磁极损坏，可以采用上述的方法进行换算得到对应的位移偏移量。

2.2 具有容错能力的转子位移传感器特性分析

从图3的结构示意图可知，由于改进后的转子位移传感器有三组传感器，当有一组传感器发生故障时，假设为3号，则测量结果同上述未坏时结果相同，若1号或2号传感器损坏，假设为1号损坏，则2号与3号传感器产生的电压分别为u2ˊ与u3ˊ。设u2ˊ与u3ˊ所对应的位移分别为x2ˊ与x3ˊ，则转子偏离正常工作时转子位置可以计算如下(5)(6)所示。

可见，三对传感器中任意损坏一对均可继续保持正常工作，这可以大大提高传感器的容错能力，实现转子的高可靠性功能。

3 结论

本文提出的改进后的差动变压器式位移传感器具有了容错能力，延长了使用寿命，一定程度上能避免无容错的转子位移传感器相对易损坏带来的问题，从而降低了维修成本，节约资源，保证生产正常运行。并且由于有三对传感器，仅需两组即可测出其位移，有多组数据可使用，更提高了其数据的可靠性，可应用于航空航天、核电、军事等领域。VLSI设计[J].微型机与应用, 2012 ,31 (22) ：23-25.