一种新型间隙传感器研究

传感技术学报

CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS

Vol.20　No.7JUL.2007

ResearchonaNewGapSensor3

ZHOUWen2wu

3

,WUJun,LILu

CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,NationalUniv.ofDefenseTechnology,Changsha410073,ChinaAbstract:Temperaturedriftofgapsensormainlyresultsfromsensorcoilimpedancedrift.Anewsensorprobeandmeasuringcircuitaredesignedtodecreaseinfluenceoftemperatureonthegapsensor.Adiffer2encebetweennewsensorprobeandrecentsensorprobeisthatthenewsensorprobeisconstitutedbycom2pensatorywindingandsensorwinding,Theexperimentalresultsshowthatthenewsensorobtainsgoodtemperaturestabilitythatthetemperaturedriftis0.08mmunder0～80℃.

Keywords:gapsensor;temperaturedriftcompensation;bridge;compensatorywinding;sensorwindingEEACC:7320G

一种新型间隙传感器研究周文武3,吴　峻,李　璐

(国防科技大学磁悬浮技术研究中心,长沙410073)

3

摘　要:间隙传感器线圈电阻的温度漂移是导致传感器输出漂移的主要因素.为了抑制温度对间隙传感器的影响,设计新的

传感器探头和测量电路;新的传感器探头跟现有传感器探头最大不同是在现有传感器探头的基础上增加了一个与传感器线圈完全一样的补偿线圈;并将补偿线圈和传感器线圈组成电桥测量电路.实验表明新传感器在0～80℃范围内温度漂移为

0.08mm,温度稳定性好.

关键词:间隙传感器;温度漂移补偿;电桥;补偿线圈;传感器线圈

中图分类号:TP212.12　　文献标识码:A　　文章编号:100421699(2007)0721514203　　磁悬浮列车利用电涡流传感器检测轨道与电磁铁的间隙.间隙传感器的温度稳定性直接影响磁悬浮列车悬浮控制的稳定性和运营的安全.由于电磁铁发热量大,间隙传感器所处的温度环境比较恶劣,温度变化大,因此提高间隙传感器的温度稳定性是非常必要的.

电涡流传感器的温度漂移主要取决于传感器线圈自身电阻的温度漂移[124].因此温度补偿方法的研究大都是针对传感器线圈的电阻展开.目前间隙传感器温度补偿方法主要有:①直接减小传感器线圈的电阻从而减小温度对线圈阻抗的影响,比如用多股线代替单股实心线[4],从而减小交流电阻;也有采用温度特性好的材质比如银来制作线圈;②采用与线圈电阻温度特性相反的热敏电阻做电阻补偿,比如在传感器线圈中串联负温度系数NTC电阻,抑制传感器

基金项目:国家“863”计划资金项目(2004AA505220).收稿日期:2006210210　　修改日期:2007201205

线圈电阻的变化[1];③将传感器线圈的温度作为系统变量,在电路或者信号处理中形成负反馈,达到温

度补偿[1,5];④利用补偿线圈(包括无感线圈)和传感器线圈形成差动输出,从而抑制温度影响[2,6].

本文设计了新的传感器探头结构,采用电桥测量电路抑制温度影响.试验表明,新型间隙传感器在温度稳定性较现有传感器有很大提高.

1　间隙传感器探头结构及电桥电路

新间隙传感器探头跟现有传感器探头最大不同是在现有传感器探头的基础上增加了一个与传感器线圈完全一样的补偿线圈,其结构如图1所示.探头包括传感器线圈、补偿线圈和两线圈之间的非电磁材料.传感器线圈和补偿线圈的结构形式完全一样,只是传感器线圈位于靠近轨道侧,而补偿线圈位于

第7期周文武,吴　峻等:一种新型间隙传感器研究1515

远离轨道侧,而且两种线圈之间的距离大于传感器线圈的有效测量范围.这样,补偿线圈与轨道之间的

电磁作用以及两个线圈之间的相互作用均可忽略.另外,磁悬浮列车的电磁环境复杂,为了抑制电磁干扰,传感器线圈和补偿线圈均采用∞结构.

图3　传感器线圈等效电路　　图4　补偿线圈等效电路

参数如下:

Ls=Ls1Rs=Rs1

图1　间隙传感器探头视图

22

ωM-22×Ls2Rs2+(ωLs2)22

ωM-22×Rs2Rs2+(ωLs2)

(2)(3)

Lc=Lc1　Rc=Rc1

测量电路采用电桥,其拓扑如图2所示.参考

两桥臂选用温度特性稳定,精度高的电阻,另外两桥臂由传感器线圈和补偿线圈构成,其中Zs为传感器线圈的阻抗,Zc为补偿线圈的阻抗.当测量间隙为∞时,传感器线圈和补偿线圈都与被测轨道无电磁耦合,因此,Zs=Zc,那么ZsR=ZcR,这时电桥平衡.当传感器接近轨道时,Zs发生变化,电桥失衡,不考虑激励源的出电阻Zu以及检测电路的输入电阻无穷大,那么,

VCD=

ZcR-ZsRE

(Zc+Zs)(R+R)Zc-ZsE

2(Zc+Zs)

令LsδRsδ22

ωM=22×Ls2,Rs2+(ωLs2)22ωM=22×Rs2

Rs2+(ωLs2)

其中,Ls和Rs分别为传感器线圈的等效电感和等效

电阻;Lc和Rc分别为补偿线圈的等效电感和电阻;Ls1和Rs1为传感器线圈的自身电阻和电感,Ls2和

Rs2为轨道中电涡流的等效电阻和等效电感,M为传

感器线圈和电涡流回路之间的互感;Lc1和Rc1为补偿线圈的自身电阻和电感.

从式(2)和式(3)可知,传感器线圈的等效电阻包括自身电阻Rs1和耦合电阻Rsδ;传感器线圈的等

(1)

整理可得,

VCD=

效电感包括自感Ls1和耦合电感;其中Rsδ、Ls1和Lsδ跟间隙相关,Rs1与间隙无关,但根据文献[124],电涡流传感器的温度特性主要决定于Rs1,其它参数受温度影响较小,可以忽略.补偿线圈只有自身电阻

Rc1和自感Lc1,其中Rc1与Rs1一样,受温度影响较

由式(1)可知,传感器输出与参考桥臂无关.

大.由于传感器线圈和补偿线圈灌封于同一腔体中,可以认为温度环境一致,再则,传感器线圈和补偿线圈的绕制方式和材料完全相同,那么Rs1=Rc1.因

图2　电桥结构图

此线圈阻抗对于温度变化满足:

ΔZs|T=ΔZc|T

(4)

2　测量电路温度特性分析

当传感器靠近轨道时,由于传感器线圈中电流的作用,轨道中会形成电涡流.将轨道导体中形成的电涡流等效为一个短路环,这样一来,线圈和金属板就可以等效为互相耦合的两个线圈,如图3所示.而补偿线圈一直远离轨道,与轨道无电磁耦合,其等效电路如图4所示.事实上,当传感器探头远离轨道或者认为测量间隙为时,传感器线圈也可得到如图4的等效电路,这时传感器测量电桥平衡.

根据线圈的等效电路,可以得到传感器的各电

根据式(1)求VCD对Zc和Zs的全微分可得

ΔZsZsΔZcEΔ()(5)VCD=-2

Zs2ZcZc

(1+)

Zc

根据前文所述,温度只影响线圈的自身电阻,同时,自身电阻与间隙无关,因此,温度对传感器阻抗的影响与间隙无关.但在小间隙情况下,传感器线圈阻抗变化对间隙变化的灵敏度高,温度影响相对很小;在大间隙情况下,传感器线圈阻抗变化对间隙变化的灵敏度降低,温度影响相对加剧,因此这里着重分析大间隙情况下传感器的温度特性.在正常的悬

1516传　感　技　术　学　报2007年

浮间隙到传感器完全远离轨道之间,实际测量表明

Zs≈Zc,那么式(5)可以简化为

　　综上所述,采用新的探头结构和电桥测量电路,大大提高了传感器全量程的温度稳定性.

ΔVCD≈

ΔZs-ΔZcE()

Zs2Zc

(1+)

Zc

(6)

参考文献:

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[2]　李其朋,丁凡.一类耐高压电涡流位移传感器的温度补偿研究

[J].传感技术学报,2006,19(1):219.

[3]　丛华,张德魁,赵鸿宾.电涡流传感器温度稳定性研究[J].

ΛCD|T≈0.因此该传感将式(4)代入式(6)可得Δ

器结构具有良好的温度特性,特别是大间隙情况下,

效果明显.

3　实验结果和结论

在温控箱中,分别对老传感器和新传感器进行温度实验.实验条件为:温度变化范围[0～80℃],间隙分别为2mm、10mm和18mm,得到老传感器和新传感器的温度2间隙关系曲线如图5所示.实验表明,老传感器随着间隙变大,温漂加剧,在18mm时,在全温度范围漂移达1.5mm;而新传感器在全量程范围内都很小,全温度范围漂移最大为0.08mm.清华大学学报,1999,39(10):65.

[4]　凌保明,诸葛向彬,凌云.电涡流传感器的温度稳定性研究

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ture2CompensatedSystemforMagneticFieldMeasure2mentsBasedonArtificialNeuralNetworks[J].

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TransactionsonInstrumentationandMeasurement,1998,47(2):494.

图5　温度2间隙关系曲线

周文武(19772),男,硕士,讲师,主要从事电涡流传感技术和电机控制技术研究,z2wenwu@163.com

吴　峻(19732),男,博士,副教授,主要从事电力电子与电力传动研究.