直线位移传感器设计与分析

随着科学技术的不断进步发展，对各种物理参数的测要求也越来高、越来越广泛，在现代制造业中，直线位移测量也是非常重要的。目前比较多的直线位移量传感器有感应同步器式、电容式、电感式、光电式、光栅式、磁栅式、霍尔效应式等。在实际生产和应用中如此繁多的位移传感器有优点、也多少都存在着一些问题，精度高的制造设备复杂、制造工艺复杂，结构复杂，安装调试要求高，成本也高，同时对使用环境要求也严格，如光栅尺（如图1）等；精度相对低的、线性范围小的，结构相对简单、可靠性要求也高，但频率响应不高，快速动态测量很难适用，如电感式的（如图2）。

本文设计分析的是一种基于变磁阻原理的直线位移传感器，其结构主要由初级和次级构成（如图3），初级包括初级铁心及激磁、输出绕组，次级仅为带齿的铁心，具有无刷化，同时也具有精度高、可靠性高、线性范围大、适应环境能力强、频率响应高、体积小、结构简单、价格低等优点，适合作为直线位移检测元件用于无刷直线直流电机等直线伺服驱动电机系统中，也可用于环境恶劣、可靠性要求高的位移测量系统中。

1  设计原理  

本文设计分析的是一种基于变磁阻原理的直线位移传感器，根据法拉第电磁感应原理可知, 当激磁绕组（R1R2）施加交流励磁电压时，两个输出绕组（S1S3、S2S4）中分别产生感应电压，其幅值主要决定于初级、次级齿间气隙磁导的大小，即随气隙磁导的变化而变化。次级移动一个齿距，气隙磁导变化一个周期，则输出电压幅值就变化一个周期，次级移动一个周期，输出电压幅值变化的周期数等于初级齿数,其电气原理图如图4所示。

2  设计分析

2.1  样机设计参数

磁阻式直线位移传感器主要技术参数有励磁电压、励磁频率，最大输出电压及极对数等，设计参数有初次级槽数、初次级长度尺寸、气隙等参数，样机具体参数见下表。

表 1  样机设计参数

2.2  结构设计

磁阻式直线位移传感器主要由初级和次级构成，初级包括初级铁心及励磁绕组、正余弦输出绕组，次级仅为带齿的铁心，结构比较简单。为了保证磁阻式直线位移传感器运行时性能指标，必须保证初级、次级之间的气隙均匀，优化初级、次级结构及安装型式，并合理选择直线导轨，选取气隙尺寸为0.3mm。初级、次级铁芯仅由冲片组成，并用激光焊接或铆钉紧固，加工工艺简单，零部件安装可靠，初级上面还有励磁绕组、正余弦输出绕组，材料选取漆包线，绕线骨架选用尼龙材料注塑成型，套装在初级齿上。直线位移传感器整体结构简单，零部件安装可靠，选材主要为硅钢片、漆包线及尼龙材料，因此对环境适应能力非常强。

2.3  绕组设计

激磁绕组采用等匝集中绕组，每个初级齿上的匝数为：

式中：N——激磁绕组总匝数，

      Z1——初级齿数。

两输出绕组分别采用正弦分布绕组和余弦分布绕组。

式中：N0——每个大齿上一相输出绕组可能的最大匝数。

3  信号处理应用

由于磁阻式直线位移传感器是一种模拟型机电元件，在实际无法满足伺服系统的数字化应用，因此要通过设计合适的接口电路，将模拟信号与控制系统数字信号之间的相互转化得以实现。

图5  电路典型应用

美国AD公司的AD2S90作为模拟/数字转换器，与控制器之间采用同步串行通信方式进行数据传输。具有自身的优点:（1）轴角信息提供两种输出方式，一是绝对串行二进制输出(12位)，最高传输速率为2Mbps;二是模拟增量式编码器输出，A, B和NM信号，相当于一个1024线增量式编码器。（2）分辨率固定为12位，外围电路简单。（3）串行芯片价格便宜，仅为并行芯片的1/5一1/l00基于以上优点。AD2S90的分辨率固定，因此几乎不必设置任何外围电路，而只需提供正常的工作电源，转换器就能正常运行，如图5所示。

4  结束语

本文设计分析的直线位移传感器由于结构简单，所用材料主要为硅钢片、漆包线及工程塑料，因此除了具有性范围大、频率响应高、成本低等优点外，对环境适应能力也非常强，可用于环境温度较高或较低的场合、也可用于高振动、冲击的环境。