直線位移傳感器設(shè)計(jì)與分析
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展,對(duì)各種物理參數(shù)的測(cè)要求也越來高、越來越廣泛,在現(xiàn)代制造業(yè)中,直線位移測(cè)量也是非常重要的。目前比較多的直線位移量傳感器有感應(yīng)同步器式、電容式、電感式、光電式、光柵式、磁柵式、霍爾效應(yīng)式等。在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中如此繁多的位移傳感器有優(yōu)點(diǎn)、也多少都存在著一些問題,精度高的制造設(shè)備復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝調(diào)試要求高,成本也高,同時(shí)對(duì)使用環(huán)境要求也嚴(yán)格,如光柵尺(如圖1)等;精度相對(duì)低的、線性范圍小的,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性要求也高,但頻率響應(yīng)不高,快速動(dòng)態(tài)測(cè)量很難適用,如電感式的(如圖2)。
本文設(shè)計(jì)分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器,其結(jié)構(gòu)主要由初級(jí)和次級(jí)構(gòu)成(如圖3),初級(jí)包括初級(jí)鐵心及激磁、輸出繞組,次級(jí)僅為帶齒的鐵心,具有無刷化,同時(shí)也具有精度高、可靠性高、線性范圍大、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),適合作為直線位移檢測(cè)元件用于無刷直線直流電機(jī)等直線伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中,也可用于環(huán)境惡劣、可靠性要求高的位移測(cè)量系統(tǒng)中。
1 設(shè)計(jì)原理
本文設(shè)計(jì)分析的是一種基于變磁阻原理的直線位移傳感器,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理可知, 當(dāng)激磁繞組(R1R2)施加交流勵(lì)磁電壓時(shí),兩個(gè)輸出繞組(S1S3、S2S4)中分別產(chǎn)生感應(yīng)電壓,其幅值主要決定于初級(jí)、次級(jí)齒間氣隙磁導(dǎo)的大小,即隨氣隙磁導(dǎo)的變化而變化。次級(jí)移動(dòng)一個(gè)齒距,氣隙磁導(dǎo)變化一個(gè)周期,則輸出電壓幅值就變化一個(gè)周期,次級(jí)移動(dòng)一個(gè)周期,輸出電壓幅值變化的周期數(shù)等于初級(jí)齒數(shù),其電氣原理圖如圖4所示。
2 設(shè)計(jì)分析
2.1 樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)
磁阻式直線位移傳感器主要技術(shù)參數(shù)有勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁頻率,最大輸出電壓及極對(duì)數(shù)等,設(shè)計(jì)參數(shù)有初次級(jí)槽數(shù)、初次級(jí)長(zhǎng)度尺寸、氣隙等參數(shù),樣機(jī)具體參數(shù)見下表。
表 1 樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)
項(xiàng)目 | 參數(shù) |
勵(lì)磁電壓(V) 勵(lì)磁頻率(Hz) 最大輸出電壓(V) 極對(duì)數(shù) 初級(jí)槽數(shù) 次級(jí)槽數(shù) 氣隙(mm) | 7 1000 2.5 3 12 3 0.3 |
2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
磁阻式直線位移傳感器主要由初級(jí)和次級(jí)構(gòu)成,初級(jí)包括初級(jí)鐵心及勵(lì)磁繞組、正余弦輸出繞組,次級(jí)僅為帶齒的鐵心,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。為了保證磁阻式直線位移傳感器運(yùn)行時(shí)性能指標(biāo),必須保證初級(jí)、次級(jí)之間的氣隙均勻,優(yōu)化初級(jí)、次級(jí)結(jié)構(gòu)及安裝型式,并合理選擇直線導(dǎo)軌,選取氣隙尺寸為0.3mm。初級(jí)、次級(jí)鐵芯僅由沖片組成,并用激光焊接或鉚釘緊固,加工工藝簡(jiǎn)單,零部件安裝可靠,初級(jí)上面還有勵(lì)磁繞組、正余弦輸出繞組,材料選取漆包線,繞線骨架選用尼龍材料注塑成型,套裝在初級(jí)齒上。直線位移傳感器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零部件安裝可靠,選材主要為硅鋼片、漆包線及尼龍材料,因此對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力非常強(qiáng)。
2.3 繞組設(shè)計(jì)
激磁繞組采用等匝集中繞組,每個(gè)初級(jí)齒上的匝數(shù)為:
式中:N——激磁繞組總匝數(shù),
Z1——初級(jí)齒數(shù)。
兩輸出繞組分別采用正弦分布繞組和余弦分布繞組。
式中:N0——每個(gè)大齒上一相輸出繞組可能的最大匝數(shù)。
3 信號(hào)處理應(yīng)用
由于磁阻式直線位移傳感器是一種模擬型機(jī)電元件,在實(shí)際無法滿足伺服系統(tǒng)的數(shù)字化應(yīng)用,因此要通過設(shè)計(jì)合適的接口電路,將模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)化得以實(shí)現(xiàn)。
圖5 電路典型應(yīng)用
美國(guó)AD公司的AD2S90作為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器,與控制器之間采用同步串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具有自身的優(yōu)點(diǎn):(1)軸角信息提供兩種輸出方式,一是絕對(duì)串行二進(jìn)制輸出(12位),最高傳輸速率為2Mbps;二是模擬增量式編碼器輸出,A, B和NM信號(hào),相當(dāng)于一個(gè)1024線增量式編碼器。(2)分辨率固定為12位,外圍電路簡(jiǎn)單。(3)串行芯片價(jià)格便宜,僅為并行芯片的1/5一1/l00基于以上優(yōu)點(diǎn)。AD2S90的分辨率固定,因此幾乎不必設(shè)置任何外圍電路,而只需提供正常的工作電源,轉(zhuǎn)換器就能正常運(yùn)行,如圖5所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)分析的直線位移傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所用材料主要為硅鋼片、漆包線及工程塑料,因此除了具有性范圍大、頻率響應(yīng)高、成本低等優(yōu)點(diǎn)外,對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力也非常強(qiáng),可用于環(huán)境溫度較高或較低的場(chǎng)合、也可用于高振動(dòng)、沖擊的環(huán)境。
本文來源:《企業(yè)科技與發(fā)展》:http://m.00559.cn/w/qk/21223.html
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