關(guān)于角位移傳感器研制過程中關(guān)鍵技術(shù)的思考與分析

王尊敬 彭春增 王天資

摘? 要：隨著飛機上機械傳動系統(tǒng)越來越多地被電控系統(tǒng)所取代，旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器式角位移傳感器（RVDT）在飛機系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。文章對角位移傳感器研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行梳理，分析了其研制難點，并結(jié)合實際提出了后續(xù)的相應解決措施和改進方向。

關(guān)鍵詞：角位移傳感器;RVDT;關(guān)鍵技術(shù);解決措施

中圖分類號：TP212? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0160-03

Abstract： As more and more mechanical transmission system is replaced by electronic control system， the RVDT is widely used in the aircraft system. In this paper， the key technologies in the development of RVDT are sorted out， the solution measures and the improvement direction are raised with practice.

Keywords： angular displacement sensor; RVDT; key technology; countermeasure

旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器式角位移傳感器（RVDT， Rotary Variable Differential Transformer）主要用于測量飛機舵面位置、駕駛艙指令、發(fā)動機進油活門位置、電磁閥開度等，為飛行控制系統(tǒng)提供了精確的角度位置信息，在飛機系統(tǒng)中的應用越來越廣泛[1-4]。當前，RVDT角位移傳感器在國外已相對成熟并得到較為廣泛地應用。在國內(nèi)，從事該類傳感器研制和生產(chǎn)的單位主要有航空工業(yè)自控所、北京曙光航空電氣有限公司、陜西東方航空儀表有限責任公司等。但由于該傳感器屬于高精密傳感器，技術(shù)復雜程度較高，生產(chǎn)、裝配及調(diào)試難度較大，國內(nèi)市面上的成熟產(chǎn)品尤其是耐溫在200℃以上的產(chǎn)品依然較少。本文根據(jù)作者近幾年對該類傳感器研制經(jīng)驗梳理了其關(guān)鍵技術(shù)并分析其研制難點，結(jié)合實際提出了后續(xù)的相應解決措施和改進方向，對于指導后續(xù)傳感器的性能提升和改進具有重要意義。

1 角位移傳感器工作原理

旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器式角位移傳感器屬于互感式傳感器，由定子組件和轉(zhuǎn)子組件組成。其中，定子組件包括定子鐵芯和繞組兩部分，定子鐵芯一般由導磁性能良好的軟磁材料沖片疊成，其圓周上均勻分布4個凸極。凸極上嵌有4個激磁線圈（S1-S2）和4個輸出線圈（分兩組，S3-S4，S5-S6）。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，磁阻的變化將引起凸極上4個輸出線圈中的感生電動勢發(fā)生變化。兩組輸出線圈產(chǎn)生的VA、VB電壓值為此消彼長關(guān)系，二者的差值（差動電壓VA-VB）與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系，從而實現(xiàn)角度測量，傳感器原理圖如圖1所示。

2 傳感器結(jié)構(gòu)組成

傳感器主要由防護殼-1、定子組件-2、轉(zhuǎn)子鐵芯-3、軸承-4、轉(zhuǎn)軸-5和插座-6等零部件組成，如圖2所示。其中，定子組件和轉(zhuǎn)子鐵芯是其關(guān)鍵核心部分。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

3.1 定子、轉(zhuǎn)子關(guān)鍵尺寸確定

3.1.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

其中，f為激勵頻率;N1為激勵線圈匝數(shù);N2為感應線圈匝數(shù);μ0為真空磁導率;r為轉(zhuǎn)子最大半徑;h為定子有效厚度;δ為定子、轉(zhuǎn)子極間氣隙長度;α為轉(zhuǎn)子的角位移。由式（1）和式（2）可知，δ、r和h直接影響到感和K，δ與感和K成反比。定子槽口寬度d直接影響傳感器線性測量范圍，d越小，線性測量范圍越大。定子窗口尺寸S則影響線圈的繞制匝數(shù)進而間接影響傳感器性能。通常，優(yōu)異性能的傳感器通常需要具有較高的感和K，同時具有良好的線性輸出。

3.1.2 原因分析及改進措施

為了增大傳感器的感和K并保證良好的線性輸出范圍，可通過減小δ、d，增大r、h和S等方式實現(xiàn)。然而，減小δ會導致轉(zhuǎn)子組合難以穿過定子繞組，對零部件加工精度要求也同步提高，裝配形位公差較小，另外，由仿真分析結(jié)果（圖4為δ=0.02時輸出電壓與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線）可知，δ過小會導致輸出曲線發(fā)生畸變，不再是線性輸出;而增大r、h和S會導致定子繞組體積增大或轉(zhuǎn)軸長度增加，加工困難較大;減小d會導致繞制激磁繞組以及感應繞組時，線圈難以穿越狹窄的槽口，繞制困難，且為保證功能，d的大小受δ限制。因此，合理設(shè)計上述各參數(shù)尺寸，尋找其平衡點至關(guān)重要。根據(jù)目前產(chǎn)品研制經(jīng)驗，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，需完善定轉(zhuǎn)子的磁性能仿真分析，即在Maxwell 2D模塊磁性能仿真分析的基礎(chǔ)上進一步開展Maxwell 3D模塊仿真，以更全面地了解在某一具體定轉(zhuǎn)子模型下其磁場的分布情況及傳感器的輸出特性，最終確定定子、轉(zhuǎn)子疊片各關(guān)鍵尺寸。

3.2 定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的制備

3.2.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

定子、轉(zhuǎn)子鐵芯（由多片定、轉(zhuǎn)子疊片噴膠后疊壓而成）在制備過程中易存在疊裝不易對齊和內(nèi)外圓磨時開裂等問題，增加了產(chǎn)品的報廢率，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。對于前者，通過制備定轉(zhuǎn)子專用疊裝工裝找到有效定位點和限位點，基本可實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子疊片疊裝的整齊性;而對于后者，目前仍是傳感器研制過程中的棘手問題。

3.2.2 原因分析及改進措施

經(jīng)過分析，產(chǎn)生定、轉(zhuǎn)子疊片內(nèi)外圓磨時開裂的主要原因有：（1）定、轉(zhuǎn)子疊片疊裝壓力控制不合理;（2）選用的粘結(jié)劑不能完全適用于薄片粘結(jié)同時兼顧200℃以上高溫應用;（3）為保證定、轉(zhuǎn)子鐵芯的整齊度，疊裝工裝對定、轉(zhuǎn)子疊片過定位導致內(nèi)應力增大;（4）內(nèi)外圓精磨磨削量有時較大，增大了開膠概率。針對上述原因分析，后續(xù)可從以下幾方面采取解決措施：

（1）疊裝壓力優(yōu)化選擇：疊片疊裝時可采用扭力扳手進行鎖緊，對扭力進行量化，確保每個鐵芯的疊壓壓力一致。扭力大小可通過對不同扭力下的磁性能測量以及該扭力下疊片的結(jié)合強度兩方面進行綜合評估，尋找平衡點，確定最佳值。

（2）粘結(jié)劑的優(yōu)化選用：當前，尚無完全適用于薄片粘結(jié)且使用溫度超過200℃的高溫粘結(jié)劑，為盡可能降低由于粘結(jié)劑造成的影響，可在保證膠水涂層絕緣性能前提下盡量減薄高溫粘結(jié)劑噴涂厚度，或考慮采用噴涂氧化鎂溶液實現(xiàn)疊片之間絕緣，通過焊接實現(xiàn)疊片間粘結(jié)的方式。

（3）內(nèi)應力釋放：結(jié)合疊裝工裝合理制定工藝操作步驟和裝配順序，將過定位器件在裝爐脫火前去除，以釋放內(nèi)應力。

（4）減少磨削量：盡量減少磨削加工量，內(nèi)圓精磨時單次進給量<0.01mm，在磨削過程中實時噴射冷卻液，防止干磨過熱導致膠開裂，砂輪宜采用顆粒度小的白剛玉砂輪。

3.3 溫漂的控制

3.3.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

環(huán)境溫度的變化會引起傳感器零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差，進而影響傳感器的測量精度。因此，在傳感器設(shè)計過程中應盡可能將其溫漂控制在最低。

3.3.2 原因分析及改進措施

造成傳感器溫度誤差的原因主要有：（1）環(huán)境溫度的變化通過材料線性度膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化;（2）環(huán)境溫度的變化通過材料電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化，為傳感器產(chǎn)生溫漂的主要原因;（3）環(huán)境溫度的變化通過磁性材料和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變。表1是傳感器在不同溫度（室溫～170℃，最高測試到170℃）下15°位置時的輸出?？梢钥闯?，兩組感應線圈的輸出信號均為隨溫度升高而減小，較室溫最大降幅分別為0.0356V和0.0243V，這種不一致導致兩組線圈的差動輸出較室溫發(fā)生0.0138V的改變，即引入了溫漂。

針對上述主要原因，可以采取穩(wěn)定激勵電流的方法降低溫度誤差，即在使用穩(wěn)壓電源的初級回路中串聯(lián)一高阻值降壓電阻，使激勵電流近似不變，或使用熱敏電阻RT方式進行溫度補償。

3.4 零位輸出電壓的控制

3.4.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

零位輸出電壓的存在使傳感器輸出特性在零位附近不靈敏，也不利于測量并帶來測量誤差。因此，在傳感器設(shè)計過程中，應盡可能減小零位電壓輸出。

3.4.2 原因分析及改進措施

零位電壓無法完全消除，只能通過采取有效措施降低零位電壓值，使其控制在誤差范圍之內(nèi)，減小對傳感器輸出精度的影響。產(chǎn)生零位電壓輸出的原因主要有：（1）實際繞線中感應繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，導磁材料存在鐵損耗和不均質(zhì)，激磁繞組有銅損耗電阻，使兩個輸出繞組中的磁通大小不等、相位不同，造成與輸入信號不同相位的零位電壓;（2）由于所用磁性材料磁化曲線存在

非線性（磁飽和磁滯），當磁路工作在非線性段時，會造成輸出波形的失真，產(chǎn)生高次諧波分量。（3）由于線圈具有寄生電容，線圈與外殼、鐵心間有分布電容，導致輸出電壓產(chǎn)生正交分量。

為了減小傳感器的零位輸出電壓，可以考慮采取以下措施：（1）盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱，提高定子、轉(zhuǎn)子等重要零件的加工精度，輸出繞組繞法完全一致;（2）磁性材料須經(jīng)過適當?shù)奶幚?，消除?nèi)部殘余應力并使其磁性能均勻、穩(wěn)定，例如采用定子疊片每片晶粒取向相錯15°的方法來保證定子鐵芯磁場的均勻分布，如圖5;（3）選用導磁性能好的材料作為保護外殼，同時起到磁屏蔽的作用，以減小外界電磁場的干擾;（4）控制磁性材料的最大工作磁感應強度，使磁路工作在磁化曲線的線性段，減小高次諧波。

圖5 定子疊片晶粒取向相錯15°的加工流程示意圖

4 結(jié)束語

本文結(jié)合近年來對角位移傳感器的研制經(jīng)驗，分別從定子、轉(zhuǎn)子關(guān)鍵尺寸確定，定子、轉(zhuǎn)子鐵芯的制備，溫漂的控制和零位輸出電壓的控制四方面進行關(guān)鍵技術(shù)梳理，分析了其研制難點，并結(jié)合實際提出了后續(xù)的相應解決措施和改進方向，對于后續(xù)傳感器的性能提升和改進具有重要意義。

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