CN103063121B - 基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置及其测量方法，涉及一种差动变压器位移测量装置及其测量方法。为了解决目前差动变压器测量位移需要高频正弦信号激励以至于成本高且结构复杂的问题。它在现有的差动变压器的基础上增加开关式激励源的位移测量电路，利用开关式激励源和调节电位器使差动变压器在位移中点平衡，只用两个副线圈的稳定放电电压的窄脉冲高度就可以确定位移量。还包括单片机控制系统，利用单片机控制系统控制开关的闭合或断开来测量所述两个副线圈的电压，利用公式计算测量的位移。用于测量位移。

Description

基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种差动变压器位移测量装置，特别涉及一种基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置及其测量方法。

背景技术

目前测量位移主要采用差动变压器，对差动变压器加正弦激励信号，然后测量副线圈的阻抗和互感来间接测量磁芯的位移量，差动变压器的缺点是这种需要高频正弦信号激励的测量位移的方法对激励源要求高，需要高磁导率的磁芯材料，且正弦信号激励在位移中心点灵敏度不好调，且测量量程小，更关键的是信号与电容有关，调中点平衡时，还要调相位。所以现有的差动变压器测量位移存在成本高，且结构复杂的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前差动变压器测量位移需要高频正弦信号激励以至于成本高且结构复杂的问题，提供一种基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置及其测量方法。

本发明的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，它包括线圈骨架、激励线圈、第一副线圈、第二副线圈、带刻度读数的移动杆和磁棒；

第一副线圈、激励线圈和第二副线圈3均绕制在线圈骨架上，该线圈骨架与磁棒同轴，所述第一副线圈、激励线圈和第二副线圈沿磁棒的轴向依次设置，线圈骨架的内径大于磁棒的外径，

带刻度读数的移动杆的一端与磁棒的一端固定连接，从第一副线圈的左侧一端起l1处设为磁棒移动坐标的原点，从原点起2x₀处为磁棒移动坐标的终点，线圈骨架的轴向长度为l， 且x₀为激励线圈的中心点；

它还包括开关式激励源的位移测量电路，

所述开关式激励源的位移测量电路包括电流源I_S、第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2、第一电子开关S1、第二电子开关S2、第三电子开关S3、第四电子开关S4和电位器VR1；

电流源I_S的电流输入端接供电电源VCC的正极，电流源I_S的电流输出端同时与第一电子开关S1的一端和第三电子开关S3的一端连接，第一电子开关S1的另一端同时与第一稳压二极管D1的阴极和第二电子开关S2的一端连接，第三电子开关S3的另一端同时与第二稳压二极管D2的阴极和第四电子开关S4的一端连接，第二电子开关S2的另一端、第四电子开关S4的另一端、第一稳压二极管D1的阳极和第二稳压二极管D2的阳极同时接供电电源的电源地；第一稳压二极管D1的阴极接激励线圈的同名端，第二稳压二极管D2的阴极接激励线圈的异名端；

所述第一副线圈的异名端和电位器VR1的一端连接；

所述第一副线圈的同名端和电位器VR1的可调端连接；

所述第二副线圈的异名端和电位器VR1的另一端连接；

所述第二副线圈的同名端和电位器VR1的可调端连接。

基于上述装置的测量方法，它包括如下步骤：

步骤一：控制第一电子开关S1和第四电子开关S4闭合，第二电子开关S2和第三电子开关S3断开，电流源Is向激励线圈正向充电，使激励线圈中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：控制第一电子开关S1断开，激励线圈正向放电，当激励线圈两端的电压u_L1等于第一二极管D1的压降U_DP时，测出第一副线圈的一端的电压U_2a和第二副线圈(3)的一端的电压U_2b；

步骤三：将磁棒移至激励线圈的中心点，调节电位器VR1的可调端，使第一副线圈的一端的电压U_2a与第二副线圈的一端的电压U_2b相等；

步骤四：当磁棒的移动位移为x mm时，测量第一副线圈的一端的电压U_2a和第二副线圈的一端的电压U_2b，根据所述电压U_2a和电压U_2b计算获得x＝k(U_2a-U_2b)+x₀，其中，U_2a和U_2b的变化范围均为±U_M，

所述开关式激励源的位移测量电路还包括单片机控制系统；单片机控制系统包括ARM单片机、电阻R1-R10、第一运算放大器IC21、第二运算放大器IC22、第三二极管(D3)、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；

电阻R1的一端和电阻R2的一端同时与第一运算放大器IC21的正向信号输入端连接，电阻R3的一端和电阻R4的一端同时与第一运算放大器IC21的反向信号输入端连接，第一运算放大器IC21的信号输出端和电阻R4的另一端同时与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极和ARM单片机的第一电压信号输入端连接，电阻R2的另一端和第四二极管D4的阳极同时接供电电源地，第三二极管D3的阴极接供电电源VCC；电阻R6的一端和电阻R7的一端同时与第二运算放大器IC22的正向信号输入端连接，电阻R8的一端和电阻R9的一端同时与第二运算放大器IC22的反向信号输入端连接，第二运算放大器IC22的信号输出端和电阻R9的另一端同时与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极和ARM单片机的第二电压信号输入端连接，电阻R7的另一端和第六二极管D6的阳极同时接供电电源地，第五二极管D5的阴极接供电电源VCC；

ARM单片机的第一控制信号输出端与第一电子开关S1的开关控制端连接，ARM单片机的第二控制信号输出端与第二电子开关S2的开关控制端连接，ARM单片机的第三控制信号输出端与第三电子开关S3的开关控制端连接，ARM单片机的第四控制信号输出端与第四电子开关S4的开关控制端连接；

电阻R1的另一端用于与所述第一副线圈的异名端连接；

电阻R3的另一端用于与所述第一副线圈的同名端连接，

电阻R6的另一端用于与所述第二副线圈的异名端连接，

电阻R8的另一端用于与所述第二副线圈的同名端连接。

基于上述装置的测量方法，它包括如下步骤：

步骤一：单片机控制系统控制电子开关S1和电子开关S4闭合，电子开关S2和电子开关S3断开，电流源Is向激励线圈正向充电，使激励线圈中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：单片机控制系统控制电子开关S1断开，激励线圈正向放电，当激励线圈两端的电压u_L1等于第一二极管D1的压降U_DP时，测出ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁和ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂；

步骤三：将磁棒移至激励线圈的中心点，调节电位器的可调端，使ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁与ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂相等；

步骤四：当磁棒的移动位移为x mm时，测量ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁和ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂，根据所述电压U₀₁和电压U₀₂计算获得x＝k(U_o1-U_o2)+x₀，其中，U₀₁和U₀₂的变化范围均为±U_Mo，

本发明的优点在于：本发明在现有的差动变压器的基础上采用开关式的激励信号，与频率和相位无关，测量精度高，且结构简单，利用可调电位器VR1调节中点平衡，方法简单，测量量程能达到线圈骨架整体长度的1/4。

附图说明

图1为本发明所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的结构示意图。

图2为本发明具体实施方式一所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的开关式激励源的位移测量电路的结构示意图。

图3为本发明具体实施方式二所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的开关式激励源的位移测量电路的结构示意图。

图4为本发明所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的电流源Is的电路结构示意图。

图5为本发明所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的电子开关电路的驱动电路结构示意图。

图6为现有的差动变压器的两个副线圈完全独立时，测得的各个线圈的互感特性。

图7为现有的差动变压器的两个副线圈反串连接时，测得的各个线圈的互感特性。

图8为本发明的调节可调电位器使两个副线圈的中点平衡时，测得的各个线圈的互感特性。

图9为本发明的调节可调电位器使两个副线圈的中点平衡时，测得的激励线圈的互感和两个副线圈的信号差的互感特性。

图10为本发明的调节可调电位器使两个副线圈的非中点平衡时，测得的各个线圈的互感特性。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本发明的一种基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，它包括线圈骨架、激励线圈1、第一副线圈2、第二副线圈3、带刻度读数的移动杆4和磁棒5；

第一副线圈2、激励线圈1和第二副线圈3均套在线圈骨架上，该线圈骨架与磁棒5同轴，所述第一副线圈2、激励线圈1和第二副线圈3沿磁棒5的轴向依次设置，线圈骨架的内径大于磁棒5的外径，

带刻度读数的移动杆4的一端与磁棒5的一端固定连接，从第一副线圈2的左侧一端起l1处设为磁棒5移动坐标的原点，从原点起2x₀处为磁棒5移动坐标的终点，线圈骨架的轴向长度为l， 且x₀为激励线圈1的中心点；

其特征在于，它还包括开关式激励源的位移测量电路，

所述开关式激励源的位移测量电路包括电流源I_S、第一稳压二极管D1、第二稳压二极管D2、第一电子开关S1、第二电子开关S2、第三电子开关S3、第四电子开关S4和电位器VR1；

电流源I_S的电流输入端接供电电源VCC的正极，电流源I_S的电流输出端同时与第一电子开关S1的一端和第三电子开关S3的一端连接，第一电子开关S1的另一端同时与第一稳压二极管D1的阴极和第二电子开关S2的一端连接，第三电子开关S3的另一端同时与第二稳压二极管D2的阴极和第四电子开关S4的一端连接，第二电子开关S2的另一端、第四电子开关S4的另一端、第一稳压二极管D1的阳极和第二稳压二极管D2的阳极同时接供电电源的电源地；第一稳压二极管D1的阴极接激励线圈1的同名端，第二稳压二极管D2的阴极接激励线圈1的异名端；

所述第一副线圈2的异名端和电位器VR1的一端连接；

所述第一副线圈2的同名端和电位器VR1的可调端连接；

所述第二副线圈3的异名端和电位器VR1的另一端连接；

所述第二副线圈3的同名端和电位器VR1的可调端连接。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的进一步限定，所述开关式激励源的位移测量电路还包括单片机控制系统；单片机控制系统包括ARM单片机、电阻R1-R10、第一运算放大器IC21、第二运算放大器IC22、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；

电阻R1的一端和电阻R2的一端同时与第一运算放大器IC21的正向信号输入端连接，电阻R3的一端和电阻R4的一端同时与第一运算放大器IC21的反向信号输入端连接，第一运算放大器IC21的信号输出端和电阻R4的另一端同时与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极和ARM单片机的第一电压信号输入端连接，电阻R2的另一端和第四二极管D4的阳极同时接供电电源地，第三二极管D3的阴极接供电电源VCC；电阻R6的一端和电阻R7的一端同时与第二运算放大器IC22的正向信号输入端连接，电阻R8的一端和电阻R9的一端同时与第二运算放大器IC22的反向信号输入端连接，第二运算放大器IC22的信号输出端和电阻R9的另一端同时与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极和ARM单片机的第二电压信号输入端连接，电阻R7的另一端和第六二极管D6的阳极同时接供电电源地，第五二极管D5的阴极接供电电源VCC；

ARM单片机的第一控制信号输出端与第一电子开关S1的开关控制端连接，ARM单片机的第二控制信号输出端与第二电子开关S2的开关控制端连接，ARM单片机的第三控制信号输出端与第三电子开关S3的开关控制端连接，ARM单片机的第四控制信号输出端与第四电子开关S4的开关控制端连接；

电阻R1的另一端用于与所述第一副线圈2的异名端连接；

电阻R3的另一端用于与所述第一副线圈2的同名端连接，

电阻R6的另一端用于与所述第二副线圈3的异名端连接，

电阻R8的另一端用于与所述第二副线圈3的同名端连接。。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的进一步限定，它还包括有机玻璃圆筒7；激励线圈1、第一副线圈2和第二副线圈3均固定在有机玻璃圆筒7的内壁上。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的进一步限定，它还包括第一摩擦圈6和二摩擦圈8，第一摩擦圈6的内直径与带刻度读数的移动杆4的直径相等，该第一摩擦圈6套接固定在带刻度读数的移动杆4与磁棒5连接的一端，该第一摩擦圈6的外侧壁与线圈骨架摩擦连接，

第二摩擦圈8的内径与磁棒5的直径相等，所述第二摩擦圈8套接固定在磁棒5的另端，第二摩擦圈8的外侧壁与线圈骨架摩擦连接。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的进一步限定，所述电流源Is包括电阻R11、电阻R21、电阻R31、电阻R41、可调电阻VR2和P沟道MOS管Q1；

电阻R11的一端和电阻R41的一端连接在一起作为电流源Is的供电电源端，电阻R11的另一端同时连接电阻R21的一端、可调电阻VR2的一个固定端和可调电阻VR2的滑动端，电阻R41的另一端与P沟道MOS管Q1的源极连接，可调电阻VR1的另一个固定端同时连接电阻R21的另一端、P沟道MOS管Q1的栅极和电阻R31的一端，电阻R31的另一端接供电电源的电源地，P沟道MOS管Q1的漏极是电流源Is的电流输出端。Is是恒流源电路，恒流值一般取100mA，恒流源电路可以用任何一种P沟道的MOS管或PNP的晶体管构成。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的进一步限定，所述第一电子开关S1、第二电子开关S2、第三电子开关S3和第四电子开关S4的组成相同，所述第一电子开关S1包括电阻R111、电阻R121、第一N沟道MOS管(Q11)和第一三极管Q111；

第一N沟道MOS管Q11的漏极作为第一电子开关S1的一端与电流源Is的电流输出端连接，第一N沟道MOS管Q11的栅极同时与电阻R111的一端和第一三极管Q111的集电极连接，电阻R111的另一端接供电电源的正极，第一三极管Q111的基极与电阻R121的一端连接，第一三极管Q111的发射极接供电电源的电源地；第一N沟道MOS管Q11的源极作为第一电子开关S1的另一端连接第一二极管D1的阴极，电阻R121的另一端是第一电子开关S1的开关控制端。

S1-S4为电子开关，可以用NPN晶体管或N沟道的MOS管构成，其开通或关断可以受TTL信号控制。可以用通用信号发生器发出的信号控制S1-S4的通断。

具体实施方式七：本实施方式是对基于具体实施方式一所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的测量方法，它包括如下步骤：

步骤一：控制第一电子开关S1和第四电子开关S4闭合，第二电子开关S2和第三电子开关S3断开，电流源Is向激励线圈(1)正向充电，使激励线圈(1)中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：控制第一电子开关S1断开，激励线圈(1)正向放电，当激励线圈(1)两端的电压u_L1等于第一二极管D1的压降U_DP时，测出第一副线圈(2)的一端的电压U_2a和第二副线圈(3)的一端的电压U_2b；

步骤三：将磁棒(5)移至激励线圈(1)的中心点，调节电位器VR1的可调端，使第一副线圈(2)的一端的电压U_2a与第二副线圈(3)的一端的电压U_2b相等；

步骤四：当磁棒的移动位移为x mm时，测量第一副线圈(2)的一端的电压U_2a和第二副线圈(3)的一端的电压U_2b，根据所述电压U_2a和电压U_2b计算获得x＝k(U_2a-U_2b)+x₀，其中，U_2a和U_2b的变化范围均为±U_M，

根据互感计算公式：

$M=\frac{U_2}{I_1-I_2}{t}_D---\left(1\right)$

其中：U₂为副边线圈中的开路电压，I₁＝Is，I₂近似为0，t_D为线圈稳定放电的时间段，只与自感量有关，M是互感器的互感值。

当位移x变化时，只有U2a和U2b与x相关，当x＝0-2x₀，变化时，互感M1和M2也随之变化，亦即U2a和U2b随x变化，并忽略x的变化对t_D的影响。

当磁棒5在差动变压器的中点，这时的M1与M2应该相等，当x在中点左右移动时，位移x与M1-M2成正比，即：

x＝f(M1-M2)+x₀＝f(U_2a-U_2b)+x₀   (2)

通过位移x与副线圈在稳定放电电压U_2a＝g₁(x)和U_2b＝g₂(x)的曲线分析，只有用VR1调中点的平衡之后有比较好的线性差动关系式：

x＝k(U_2a-U_2b)+x₀(mm)    (3)

其中：当U_2a和U_2b的变化范围都是±U_M时，函数x的变化范围是0-2x₀mm。

VCC为12V，差动变压器的激励线圈在恒流源和电子开关S1-S4的作用下双向充放电。

电位器VR1用来调差动变压器在位移中心点的平衡

差动变压器(LVDT)可以是任意结构和规格的三线圈差动变压器。

u_2a和u_2b的电压，可以用通用示波器抓捕看到波形。或通过电子电路检测到波形的指定特征段。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的测量方法进一步限定，它还包括如下步骤：

步骤五：控制第二电子开关S2和第三电子开关S3闭合，第一电子开关S1和第四电子开关S4断开，电流源Is向激励线圈1反向充电，使激励线圈1中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤六：控制第三电子开关S3断开，激励线圈1反向放电，对电感量大的线圈起消除剩磁作用。

具体实施方式九：本实施方式基于具体实施方式二所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的测量方法的进一步限定，它包括如下步骤：

步骤一：单片机控制系统控制电子开关S1和电子开关S4闭合，电子开关S2和电子开关S3断开，电流源Is向激励线圈1正向充电，使激励线圈1中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：单片机控制系统控制电子开关S1断开，激励线圈1正向放电，当激励线圈1两端的电压u_L1等于第一二极管D1的压降U_DP时，测出ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁和ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂；

步骤三：将磁棒5移至激励线圈1的中心点，调节电位器的可调端，使ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁与ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂相等；

步骤四：当磁棒的移动位移为x mm时，测量ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁和ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂，根据所述电压U₀₁和电压U₀₂计算获得x＝k(U_o1-U_o2)+x₀，其中，U₀₁和U₀₂的变化范围均为±U_Mo，

因为U_o1＝αU_2a和U_o2＝αU_2b  U_o1和U_o2的变化范围都是±αU_M

所以：x＝k(U_o1-U_o2)+x₀  (mm)           (4)

$k=\frac{-x_0}{2U_{M0}},$

公式(4)是在采用可调电位器VR1在x的中点处调平衡后的测量公式。

本实施方式中取α＝2，α为放大电路的放大倍数，对不同的线圈，由于互感不同，放大倍数α也会不同；

在没有调平衡之前是非线性的，需要通过位移x与副线圈在稳定放电电压U_o1＝2U_2a＝2g₁(x)和U_o2＝2U_2b＝2g₂(x)的曲线分析和判断互感特性与位移x的相关关系，通过曲线分析和可调电位器VR1的调整，可以使差动变压器在位移上获取较好的线性度，可以是一个设计和调整差动变压器参数的手段，只有通过这个手段调平衡后，式(4)才有效。并且这个方法没有正弦激励在相位差上带来的问题。因为线圈上的电容在稳定放电期间不起作用，而电容作用的阻尼振荡期间与这个测量方法无关。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的进一步限定，它还包括如下步骤：

步骤五：单片机控制系统控制第二电子开关S2和第三电子开关S3闭合，第一电子开关S1和第四电子开关S4断开，电流源Is向激励线圈1反向充电，使激励线圈1中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤六：单片机控制系统控制第三电子开关S3断开，激励线圈1反向放电，消除线圈中的剩磁。

差动变压器(LVDT)由一个原边线圈L₁和两个副边线圈L_2a、副边线圈L_2b构成，分别构成两个独立的互感M₁和M₂。恒流源Is通过开关S1-S4向L₁双向充放电，对应的开关逻辑信号由ARM单片机发出，如表1所示。

表1双向充放电开关逻辑

S4	S3	S2	S1	E1	状态
						1	0	0	1	0	正向充电
1	0	0	0	1	正向放电
						0	1	1	0	0	反相充电
0	0	1	0	0	反相放电

其中E1为正向放电状态的使能信号，并在这期间除了定时测量稳定放电时间t_D之外，还要捕获副线圈L_2a和L_2b在正向稳定放电期间的开路电压U_2a和U_2b。反向放电没有测量，只是为了防止长期单向电流带来剩磁及其负面的影响而使用。

电位器VR1用来调中点平衡。副线圈L_2a由IC21差分放大2倍，由R5限流，D31限幅3.3V，D4阻止负电压输出，使U01的范围在0-3V之间。副线圈L_2b与L_2a完全一样，不再赘述。在正向放电和反向充电时U01和U02为正信号在0-3V之间，正向充电和反向放电期间被钳制在0V，符合ARM单片机的AD对输入信号的要求。

差动变压器的每个线圈长度为20mm，三个线圈的骨架长度为l＝60mm。按差动变压器的位移测量范围是线圈骨架长度的1/10-1/4，所以可能的位移范围是从左边的副线圈起取距离中点作为位移量x的起点，应取x＝0-15mm范围，分析互感特性延长到20mm，每1mm取一个数据，画出位移x与U_2a和U_2b的AD采样值Nu2a和Nu2b的关系曲线，如果换算成mV值，是将信号放大2倍和10位的AD转换考虑在内，关系式为：U_2a＝1500/1023*Nu2a。该曲线代表了互感特性，只是没有标定为互感值，但不影响互感特性分析。以下分别按独立互感、反串连接互感、中点平衡互感和非中点平衡互感来分析。

当没有可调电位器VR1，两个副线圈完全独立，改变x测量获得Nu2a和Nu2b，获得数据绘出曲线如图6所示。其中的自感值L₁是从t_D的定时计数值Ntd(L₁＝0.12*Ntd)换算而来。纵坐标对L₁的单位为10uH(L1约在2.5-4mH)，目的是为了刻度数值上与Nu2a和Nu2b共用。7.5mm处是差动变压器的中心，用虚线表示，这点自感达到最大值。从图中的曲线看不出两个独立的互感之间有可比性，当位移x变化时U_2a从大变小，U_2b则反之，但其波动变化没有规律，在中心附近也不对称。

当没有可调电位器VR1，但把两个副线圈的同名端连接起来，两个互感有了一个共同的连接点，所得的曲线如图7所示。以中心点x＝7.5mm往两边看，数值高端的曲线段二者接近对称，在x＝1mm和15mm处达到最大，如果用Nu2a和Nu2b来表示，则是测量位移可能的范围。但在中心点附近，信号的灵敏度很差，几乎不能用。当设置可调电位器VR1，用VR1调两个互感的平衡，即把x调到7.5mm处，调VR1使Nu2a＝Nu2b。VR1为10K，接上后对自感L₁几乎没有影响，对副线圈的开路电压影响较小。这样测量的数据曲线如图8所示。这是一个理想的差动变压器互感特性曲线。对称、线性都比较好，在x的整个范围0-20mm都有效。

不用自感L₁参与，直接用副线圈的Nua和Nu2b就可以描述位移量x。L₁的用处是其最大值可以用来校对中心点。至此，得到的结论是：差动变压器需要有VR1来调节中点平衡。中点平衡后的信号差Nu2a-Nu2b与位移x的关系式如图9所示，呈现较好的线性态势。量程为20mm，由于AD为10位，从图上看分辨率在每个AD值33um。

表3中点平衡后的位移信号数据

X(mm)	NtD2	Nu2a	Nu2b	ΔN	xm	Err	Err％
								0	27107	392	127	265	-0.26	-0.26	-1.3
1	28401	371	135	236	0.61	-0.39	-1.9
								2	29484	347	145	202	1.64	-0.36	-1.8
3	30436	321	156	165	2.75	-0.25	-1.2
								4	31184	296	167	129	3.84	-0.16	-0.8
5	31772	271	181	90	5.01	0.01	0.1
								6	32166	251	198	53	6.13	0.13	0.6
7	32348	234	213	21	7.1	0.09	0.5
								8	32354	216	232	-16	8.2	0.21	1.0
9	32156	198	250	-52	9.3	0.30	1.5
								10	31769	180	271	-91	10.5	0.47	2.4
11	31220	165	291	-126	11.5	0.53	2.6
								12	30467	152	311	-159	12.5	0.52	2.6
13	29532	140	333	-193	13.5	0.55	2.7
								14	28415	130	355	-225	14.5	0.51	2.5
15	27172	123	375	-252	15.3	0.32	1.6
								16	25796	115	396	-281	16.2	0.2	1.0
17	24331	112	417	-305	16.9	-0.07	-0.4

18	22830	107	436	-329	17.6	-0.35	-1.8
								19	21322	104	454	-350	18.3	-0.72	-3.6
20	19853	103	468	-365	18.7	-1.2	-6.3

表3为图9的原始数据，在0-18mm区间，比要求的0-15mm的量程还大，相对准确度好于3％，这是直接数据的应用，如果再通过曲线拟合精度还会提高。

为了全面的分析差动变压器的互感特性，还考虑如果用VR1不在中心点调平衡，而是分别在偏离中心+1(8.5mm)、+2(9.5mm)、+3(10.5mm)、+8(15.5mm)处调平衡，如图10所示。

Nu2a和L₁几乎没有受影响，主要是Nu2b被逐渐压低。偏离中心点越远，压得越低，Nu2b对位移x的灵敏度越来越差。所以最佳选择是在中心点调平衡。

结果证明差动变压器必须有调平衡的电位器或同等功效的元件。并且最好找到中心点附近调平衡。

用这个方法的特点是：(1)、可以不用自感值，只用两个副线圈在正向放电时期的电压差Nu2a-Nu2b就可以测量差动变压器的位移量x。当AD转换为10位，量程20mm，分辨率为33um/LSB，相对精度好于3％；(2)、可以分析差动变压器的互感特性；(3)、测量位移或互感时，与电容无关，因此在中心点调平衡和测量时，没有相位差的问题。

Claims (10)

1.基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，它包括线圈骨架、激励线圈(1)、第一副线圈(2)、第二副线圈(3)、带刻度读数的移动杆(4)和磁棒(5)；

第一副线圈(2)、激励线圈(1)和第二副线圈(3)均绕制在线圈骨架上，该线圈骨架与磁棒(5)同轴，所述第一副线圈(2)、激励线圈(1)和第二副线圈(3)沿磁棒(5)的轴向依次设置，线圈骨架的内径大于磁棒(5)的外径，

带刻度读数的移动杆(4)的一端与磁棒(5)的一端固定连接，从第一副线圈(2)的左侧一端起l1处设为磁棒(5)移动坐标的原点，从原点起2x₀处为磁棒(5)移动坐标的终点，线圈骨架的轴向长度为l， 且x₀为激励线圈(1)的中心点的横坐标；

其特征在于，它还包括开关式激励源的位移测量电路，

所述开关式激励源的位移测量电路包括电流源I_S、第一稳压二极管(D1)、第二稳压二极管(D2)、第一电子开关(S1)、第二电子开关(S2)、第三电子开关(S3)、第四电子开关(S4)和电位器(VR1)；

电流源I_S的电流输入端接供电电源VCC的正极,电流源I_S的电流输出端同时与第一电子开关(S1)的一端和第三电子开关(S3)的一端连接，第一电子开关(S1)的另一端同时与第一稳压二极管(D1)的阴极和第二电子开关(S2)的一端连接，第三电子开关(S3)的另一端同时与第二稳压二极管(D2)的阴极和第四电子开关(S4)的一端连接，第二电子开关(S2)的另一端、第四电子开关(S4)的另一端、第一稳压二极管(D1)的阳极和第二稳压二极管(D2)的阳极同时接供电电源的电源地；第一稳压二极管(D1)的阴极接激励线圈(1)的同名端，第二稳压二极管(D2)的阴极接激励线圈(1)的异名端；

所述第一副线圈(2)的异名端和电位器(VR1)的一固定端连接；

所述第一副线圈(2)的同名端和电位器(VR1)的可调端连接；

所述第二副线圈(3)的异名端和电位器(VR1)的另一固定端连接；

所述第二副线圈(3)的同名端和电位器(VR1)的可调端连接。

2.根据权利要求1所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，其特征在于，所述开关式激励源的位移测量电路还包括单片机控制系统；单片机控制系统包括ARM单片机、电阻R1-R10、第一运算放大器(IC21)、第二运算放大器(IC22)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)；

电阻R1的一端和电阻R2的一端同时与第一运算放大器(IC21)的正向信号输入端连接，电阻R3的一端和电阻R4的一端同时与第一运算放大器(IC21)的反向信号输入端连接，第一运算放大器(IC21)的信号输出端和电阻R4的另一端同时与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与第三二极管(D3)的阳极、第四二极管(D4)的阴极和ARM单片机的第一电压信号输入端连接，电阻R2的另一端和第四二极管(D4)的阳极同时接供电电源地，第三二极管(D3)的阴极接供电电源VCC；电阻R6的一端和电阻R7的一端同时与第二运算放大器(IC22)的正向信号输入端连接，电阻R8的一端和电阻R9的一端同时与第二运算放大器(IC22)的反向信号输入端连接，第二运算放大器(IC22)的信号输出端和电阻R9的另一端同时与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与第五二极管(D5)的阳极、第六二极管(D6)的阴极和ARM单片机的第二电压信号输入端连接，电阻R7的另一端和第六二极管(D6)的阳极同时接供电电源地，第五二极管(D5)的阴极接供电电源VCC；

ARM单片机的第一控制信号输出端与第一电子开关(S1)的开关控制端连接，ARM单片机的第二控制信号输出端与第二电子开关(S2)的开关控制端连接，ARM单片机的第三控制信号输出端与第三电子开关(S3)的开关控制端连接，ARM单片机的第四控制信号输出端与第四电子开关(S4)的开关控制端连接；

电阻R1的另一端用于与所述第一副线圈(2)的异名端连接；

电阻R3的另一端用于与所述第一副线圈(2)的同名端连接，

电阻R6的另一端用于与所述第二副线圈(3)的异名端连接，

电阻R8的另一端用于与所述第二副线圈(3)的同名端连接。

3.根据权利要求1所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，其特征在于，它还包括有机玻璃圆筒(7)；激励线圈(1)、第一副线圈(2)和第二副线圈(3)均固定在有机玻璃圆筒(7)的内壁上。

4.根据权利要求1所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，其特征在于，它还包括第一摩擦圈(6)和第二摩擦圈(8)，第一摩擦圈(6)的内直径与带刻度读数的移动杆(4)的直径相等，该第一摩擦圈(6)套接固定在带刻度读数的移动杆(4)与磁棒(5)连接的一端，该第一摩擦圈(6)的外侧壁与线圈骨架摩擦连接，

第二摩擦圈(8)的内径与磁棒(5)的直径相等，所述第二摩擦圈(8)套接固定在磁棒(5)的另一端，第二摩擦圈(8)的外侧壁与线圈骨架摩擦连接。

5.根据权利要求1所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，其特征在于，

所述电流源Is包括电阻R11、电阻R21、电阻R31、电阻R41、可调电阻(VR2)和P沟道MOS管(Q1)；

电阻R11的一端和电阻R41的一端连接在一起作为电流源Is的供电电源端，电阻R11的另一端同时连接电阻R21的一端、可调电阻(VR2)的一个固定端和可调电阻(VR2)的滑动端，电阻R41的另一端与P沟道MOS管(Q1)的源极连接，可调电阻(VR1)的另一个固定端同时连接电阻R21的另一端、P沟道MOS管(Q1)的栅极和电阻R31的一端，电阻R31的另一端接供电电源的电源地，P沟道MOS管(Q1)的漏极是电流源Is的电流输出端。

6.根据权利要求2所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置，其特征在于，所述第一电子开关(S1)、第二电子开关(S2)、第三电子开关(S3)和第四电子开关(S4)的组成相同，所述第一电子开关(S1)包括电阻R111、电阻R121、第一N沟道MOS管(Q11)和第一三极管(Q111)；

第一N沟道MOS管(Q11)的漏极作为第一电子开关(S1)的一端与电流源Is的电流输出端连接，第一N沟道MOS管(Q11)的栅极同时与电阻R111的一端和第一三极管(Q111)的集电极连接，电阻R111的另一端接供电电源的正极,第一三极管Q111的基极与电阻R121的一端连接，第一三极管(Q111)的发射极接供电电源的电源地；第一N沟道MOS管(Q11)的源极作为第一电子开关(S1)的另一端连接第一二极管(D1)的阴极，电阻R121的另一端是第一电子开关(S1)的开关控制端。

7.基于权利要求1所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤一：控制第一电子开关(S1)和第四电子开关(S4)闭合，第二电子开关(S2)和第三电子开关(S3)断开，电流源Is向激励线圈(1)正向充电，使激励线圈(1)中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：控制第一电子开关(S1)断开，激励线圈(1)正向放电，当激励线圈(1)两端的电压u_L1等于第一二极管D1的压降U_DP时，测出第一副线圈(2)的一端的电压U_2a和第二副线圈(3)的一端的电压U_2b；

步骤三：将磁棒(5)移至激励线圈(1)的中心点，调节电位器(VR1)的可调端，使第一副线圈(2)的一端的电压U_2a与第二副线圈(3)的一端的电压U_2b相等；

步骤四：当磁棒的移动位移为x mm时，测量第一副线圈(2)的一端的电压U_2a和第二副线圈(3)的一端的电压U_2b，根据此时的电压U_2a和电压U_2b计算获得x＝k(U_2a-U_2b)+x₀，其中，U_2a和U_2b的变化范围均为±U_M，

8.根据权利要求7所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的测量方法，其特征在于，它还包括如下步骤：

步骤五：控制第二电子开关(S2)和第三电子开关(S3)闭合，第一电子开关(S1)和第四电子开关(S4)断开，电流源Is向激励线圈(1)反向充电，使激励线圈(1)中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤六：控制第三电子开关(S3)断开，激励线圈(1)反向放电。

9.基于权利要求2所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤一：单片机控制系统控制电子开关(S1)和电子开关(S4)闭合，电子开关(S2)和电子开关(S3)断开，电流源Is向激励线圈(1)正向充电，使激励线圈(1)中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤二：单片机控制系统控制电子开关(S1)断开，激励线圈(1)正向放电，当激励线圈(1)两端的电压u_L1等于第一二极管D1的压降U_DP时，测出ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁和ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂；

步骤三：将磁棒(5)移至激励线圈(1)的中心点，调节电位器的可调端，使ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁与ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂相等；

步骤四：当磁棒的移动位移为x mm时，测量ARM单片机的第一电压信号输入端的电压U₀₁和ARM单片机的第二电压信号输入端的电压U₀₂，根据此时的电压U₀₁和电压U₀₂计算获得x＝k(U₀₁-U₀₂)+x₀，其中，U₀₁和U₀₂的变化范围均为±U_Mo，

10.根据权利要求9所述的基于开关式激励源的差动变压器位移测量装置的测量方法，其特征在于，它还包括如下步骤：

步骤五：单片机控制系统控制第二电子开关(S2)和第三电子开关(S3)闭合，第一电子开关(S1)和第四电子开关(S4)断开，电流源Is向激励线圈(1)反向充电，使激励线圈(1)中的电流i与电流源Is的额定电流I_s相等；

步骤六：单片机控制系统控制第三电子开关(S3)断开，激励线圈(1)反向放电。