CN108072315A - 差动电压器式线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动电压器式线位移传感器，包括支持体组件、连接杆组件和线圈组件；线圈组件包括初级线圈和次级线圈一，次级线圈二和次级线圈三，次级线圈三用于进行补偿调节；线圈组件中，除了次级线圈一和次级线圈二自身可以调节电压输出值之外，次级线圈三也可以对次级线圈一和次级线圈二的电压输出值进行调节，从而得到更为精确的电压输出值。本发明的线位移传感器结构简单可靠、工作过程中没有摩擦、灵敏度高、输出功率大、测量精度高、环境适应能力强。

Description

差动电压器式线位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是一种差动电压器式线位移传感器。

背景技术

传感器作为自动化和信息化系统的前端器件，是制造业自动化和信息化的基础，它集约了多种学科的尖端成果。差动变压器式线位移传感器是电感式位移传感器的一种，主要应用于航空航天自动控制及检测领域，是某些武器、飞机实现自动化的关键部位之一。近年来，随着我国航空事业的快速发展，自动化水平的不断提高，传感器的数量越来越多，质量要求越来越高。因此，研发性能好、稳定性高、环境适应性强的传感器是非常有必要的。

在传感器的初级线圈通电时，电流通过初级线圈产生磁场，在线圈组件内有一个可以来回的运动的铁芯，当铁芯运动时就改变了空间磁场的分布，根据电磁感应现象，磁场分布的改变会导致次级线圈在磁场里做切割磁感应线的运动，磁通量发生变化，然后次级线圈里产生感应电动势，引起电流变化，因为铁芯的位置不同，磁通量的变化也不同，输出的电压也会发生改变。由于两个次级线圈电压极性相反，所以传感器输出是两个次级线圈电压之差。其电压值与铁芯位移量成线性关系。

航空发动机作为“两机”专项之一，受到国家高度重视。航空发动机是是国之重器，是装备制造业的尖端，尽快在这一领域实现突破，对于增强我国经济和国防实力、提升综合国力具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种差动电压器式线位移传感器，并配套航空发动机使用，从而可以提高航空发动机线位移传感器的水平，实现性能上的突破。

本发明的技术方案如下：

本发明是一种差动电压器式线位移传感器，主要包括支持体组件、连接杆组件和线圈组件等部件；其中，线圈组件包括初级线圈和次级线圈一，次级线圈二和次级线圈三，次级线圈三用于进行补偿调节；当初级线圈通电时，初级线圈的电路会产生磁场，在线圈结构内有一个可以来回做切割磁感应线运动的铁芯；根据电磁感应现象，初级线圈通电，次级线圈一、次级线圈二和次级线圈三都会产生感应电流；铁芯运动到不同位置时，次级线圈一和次级线圈二的感应电流大小不同，并且在一定范围内，铁芯位移量与感应电流成线性关系；定义次级线圈一电压与次级线圈二电压的差值为输出值，电子控制器在接收到该输出值后就可以分辨出线位移传感器所处位置的活门移动量。

其中，线圈组件中，除了次级线圈一和次级线圈二自身可以调节电压输出值之外，次级线圈三也可以对次级线圈一和次级线圈二的电压输出值进行调节，从而得到更为精确的电压输出值。

进一步的，所述连接杆组件是由连接杆、铁芯、螺堵三段组成并用电子束焊连接在一起，表面打磨平滑形成的；其中连接杆和螺堵两段为非磁性材料，铁芯一段为磁性材料，磁性材料处于两段非磁性材料的中间；对磁性材料进行真空热处理，提高材料导磁性能，使得其灵敏度高，分辨率好；连接杆的设计保证铁芯导磁性能好，灵敏度高；铁芯处于电气零点两侧的极限位置时电压输出值对称性一致；铁芯运动中不卡滞，并与线圈组件一起保证运动位移量的分辨率达到微米级别。铁芯的三段式结构中顶端一段的螺堵采用的是耐摩擦的材料。

进一步的，支持体组件由螺钉，支持体，堵塞，滚珠轴承和螺母组成。

进一步的，该位移传感器的装配方法如下：线圈结构：用辅助材料聚酰亚胺薄膜均匀包裹在铁芯导筒上，再分别绕制初级线圈，绕制次级线圈三，次级线圈一，次级线圈二，每层线圈之间用聚酰亚胺薄膜分隔开；再将线圈的引出线与辅助材料耐高温导线焊接，焊接完成后用辅助材料无碱玻璃纤维带绑定导线；最后将导磁筒以及导磁环装配到铁芯导筒上；变压器：将装配完成的线圈装配到壳体上，再用灌注料进行灌注。灌注完成后装配底座；再将线圈的线束从壳体上穿出来，并用护线套和辅助材料高性能热缩管保护好线束；最后再进行焊接；铁芯架：将连接杆、铁芯、螺堵用电子束焊连接在一起，表面打磨平滑，制成连接杆组件；将螺钉、支持体、螺母、堵塞、轴承装配在一起，再进行焊接；然后将连接杆组件以1配2的比例装配，组成铁芯架结构；将变压器和铁芯架装配在一起，就完成了线位移传感器。

为保证产品的稳定性及环境适应性，在本发明中，内部采用填料处理，一是可以固定线圈组件使其位置不会发生变化，二是可以将内部温度扩散开，达到热平衡。外部采用焊接，所有零件结合处都焊接，是所有零件成为一体，保证其稳定性。

本发明还具有以下技术特点：

1.在铁芯架装配到变压器之中时(即运动部件与固定部件之间)，其间距有近0.2mm。一是为了保证铁芯与铁芯导筒内壁无摩擦，二是为了使其介质(3号喷气燃料)不会形成油膜来对铁芯架的来回运动造成阻碍。

2.内部零件结合处使用灌胶来固定，外部零件结合处采用焊接。

3.在螺钉前端装配了轴承，使螺钉能够360°绕轴向自由转动，方便与主机的装配。

本发明的线位移传感器结构简单可靠、工作过程中没有摩擦、灵敏度高、输出功率大、测量精度高、环境适应能力强。随着航空航天领域的快速发展，自动化程度不断提高，传感器的需求越来越大，本发明的这种高性能传感器的前景将会越来越广阔。本发明的差动变压器式线位移传感器是配套于航空发动机上的附件产品，其灵敏度能达到微米级别，精度能够达到其满量程输出值的千分之五。工作时，运动部件与固定部件无摩擦，其损耗小，稳定性强，工作寿命时间长。本发明采用内部灌胶、外部焊接的结构，能适应高温、高压、辐射、水油介质等各种环境。

附图说明

图1是本发明的线位移传感器结构图；

图2是本发明的线圈结构及接线图；

图3是电压输出值仿真设计计算示意图；

图4是XXX-5线位移传感器结构图；

图5是线圈组件结构示意图；

图6是图5中的A向剖视图；

图7是图6中的B向剖视图；

图8是图5中的I位置大样图；

图9是图5中的II位置大样图；

图10是连接杆组件示意图；

图11是支持体组件示意图。

附图标记说明：1-螺钉，2-支持体，3-螺母，4-堵塞，5-连接杆，6-导磁环，7-次级线圈一，8-次级线圈二，9-次级线圈三，10-初级线圈，11-导磁筒，12-护线套，13-线束，14-灌注料，15-底座，16-铁芯导筒，17-螺堵，18-铁芯，19-壳体，20-轴承，21-铁芯导筒，22-导磁环，23-绝缘垫片，24-滚珠轴承，25-耐高温导线，26-聚四氟乙烯管，27-聚酰亚胺薄膜，28-焊料，29-无碱玻璃纤维带，30-冷凝胶。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

如附图1所示，本发明所述线位移传感器主要由螺钉1，支持体2，螺母3，堵塞4，2根连接杆5，8个导磁环6，2个次级线圈一7，2个次级线圈二8，2个次级线圈三9，2个初级线圈10，2个导磁筒11，护线套，2个线束13，灌注料14，底座15；2个铁芯导筒16，2个螺堵17，2个铁芯18，壳体19，轴承20等辅助材料零组件组成。如附图1，其各结构如下所示。

a)线圈结构：如附图1和图2所示，用辅助材料聚酰亚胺薄膜27均匀包裹在铁芯导筒16上，再分别绕制初级线圈10，绕制次级线圈三9，次级线圈一7，次级线圈二8，每层线圈之间用聚酰亚胺薄膜27分隔开，每层采用聚酰亚胺薄膜27包裹是保证线圈内部的绝缘性能。再将线圈的引出线与辅助材料耐高温导线25焊接，焊接完成后用辅助材料无碱玻璃纤维带29绑定导线。最后将导磁筒11以及导磁环6装配到铁芯导筒16上，装配导磁筒11及导磁环6是为了使线圈内部的磁场形成封闭的结构，保证其输出电压能够达到客户要求。

b)变压器：将装配完成的线圈装配到壳体19上，再用灌注料14进行灌注。灌注完成后装配底座15，进行灌注是为了辅助固定线圈结构提高产品稳定性及可靠性。再将线圈的线束13从壳体19上穿出来，并用护线套12和辅助材料高性能热缩管保护好线束13。最后再进行焊接。

c)铁芯架：将连接杆5、铁芯18、螺堵17用电子束焊连接在一起，表面打磨平滑，制成连接杆组件。将螺钉1、支持体2、螺母3、堵塞4、轴承20按附图1所示装配在一起，再进行焊接。然后将连接杆组件以1配2的比例装配，组成铁芯架结构。

将变压器和铁芯架装配在一起，就完成了线位移传感器。

d)在外形尺寸已经限制的条件下，内部的尺寸结构已基本固定，为了能够在这种状态下实现输出电压值达到设计要求，并保证其精度，所以增加次级线圈三9进行补偿调节。

e)为保证输出电压值在零点位置两边的对称输出达到一致，如果采用全段式的铁芯18结构，其电压输出值是不对称的，所以采用了三段式的结构以控制铁芯18的长度，才能保证其输出值对称。

f)在本发明的运动过程中，铁芯架与变压器是不接触的，但是在装配过程中，或者将铁芯架取出再装配的时候，铁芯架的顶端可能会碰到变压器，有接触就可能会将材料磨损。如果磨损到了导磁材料(铁芯18)则其电压输出值将会发生改变。为了解决在一问题，铁芯18的三段式结构中顶端一段的螺堵17采用的是耐摩擦的材料，就是为了保护导磁材料不会与其他零件接触从而磨损。

g)为保证产品的稳定性及环境适应性，在本发明中，内部采用填料处理，一是可以固定线圈组件使其位置不会发生变化，二是可以将内部温度扩散开，达到热平衡。外部采用焊接，所有零件结合处都焊接，是所有零件成为一体，保证其稳定性。

h)利用Ansys等仿真软件对本发明的输出电压值、输出精度、产品结构稳定性、振动适应性、温度等方面进行仿真设计计算，保证所有仿真计算值都能达到技术要求。如附图3所示，是利用Maxwell仿真计算的电压输出值。

本发明的线位移传感器的主要关键技术在于：

1线圈结构设计：

如附图2所示，当初级线圈10通电时，初级线圈10的电路会产生磁场，在线圈结构内有一个可以来回做切割磁感应线运动的铁芯18。根据电磁感应现象，初级线圈10通电，次级线圈一7、次级线圈二8、次级线圈三9都会产生感应电流。铁芯18运动到不同位置时，次级线圈一7和次级线圈二8的感应电流大小不同，并且在一定范围内，铁芯18位移量与感应电流成线性关系。由于产品关系，在实际操作中我们定义次级线圈一7电压与次级线圈二8电压的差值为输出值，电子控制器在接收到该输出值后就可以分辨出线位移传感器所处位置的活门移动量。

为了保证铁芯18在有效行程范围内的电压输出值能够达到千分之五的精度，则产品结构需要对电压输出值有强大的调节控制功能。本发明的线圈结构中，除了次级线圈一7和次级线圈二8自身可以调节电压输出值之外，次级线圈三9也可以对次级线圈一7和次级线圈二8的电压输出值进行调节，从而得到更为精确的电压输出值。

2连接杆的设计

连接杆5即为本发明的运动部件，由三段组成(附图1中的连接杆5、铁芯18、螺堵17)其中两段为非磁性材料(附图1中的连接杆5、螺堵17)，一段为磁性材料(附图1中的铁芯18，磁性材料处于两段非磁性材料的中间。该磁性材料的一段也就是附图2中的铁芯18。

连接杆5的设计需要保证①铁芯18导磁性能好，灵敏度高；②铁芯18处于电气零点两侧的极限位置时电压输出值对称性一致；③运动中不卡滞，并与线圈组件一起保证运动位移量的分辨率达到微米级别。为了达到这些要求，对磁性材料进行真空热处理，提高材料导磁性能，使得其灵敏度高，分辨率好。三段式结构采用电子束焊再磨平，严格控制长度尺寸公差，保证运动灵活并有效控制其对称性。

图4所示为一种XXX-5线位移传感器的结构图，当初级线圈10通电时，初级线圈10的电路会产生磁场，在线圈结构内有一个可以来回做切割磁感应线运动的铁芯18。根据电磁感应现象，初级线圈10通电，次级线圈一7、次级线圈二8、次级线圈三9都会产生感应电流。铁芯19运动到不同位置时，次级线圈一7和次级线圈二8的感应电流大小不同，并且在一定范围内，铁芯位移量与感应电流成线性关系。由于产品关系，在实际操作中我们定义次级线圈一7电压与次级线圈二8电压的差值为输出值，电子控制器在接收到该输出值后就可以分辨出线位移传感器所处位置的活门移动量。

线圈组件如图5-9所示，主要由21铁芯导筒，导磁环22，绝缘垫片23，导磁筒11，耐高温导线25(AFR-250 1X0.14)，聚四氟乙烯管26(1.4x0.2)，聚酰亚胺薄膜27，焊料28，无碱玻璃纤维带29，冷凝胶30等组成。连接杆组件如图10所示，主要由连接杆5，铁芯18，螺堵17组成。支持体组件如图11所示，主要由螺钉1，支持体3，堵塞4，滚珠轴承24，螺母3组成。图10中的511表示焊接方式为电子束焊，图11中52表示焊接方式为激光焊。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种差动电压器式线位移传感器，其特征在于：包括支持体组件、连接杆组件和线圈组件；所述线圈组件包括初级线圈(10)和次级线圈一(7)，次级线圈二(8)和次级线圈三(9)，次级线圈三(9)用于进行补偿调节；当初级线圈(10)通电时，初级线圈(10)的电路会产生磁场，在线圈结构内有一个可以来回做切割磁感应线运动的铁芯(18)；根据电磁感应现象，初级线圈(10)通电，次级线圈一(7)、次级线圈二(8)和次级线圈三(9)都会产生感应电流；铁芯(18)运动到不同位置时，次级线圈一(7)和次级线圈二(8)的感应电流大小不同，并且在一定范围内，铁芯(18)位移量与感应电流成线性关系；定义次级线圈一(7)电压与次级线圈二(8)电压的差值为输出值，电子控制器在接收到该输出值后就可以分辨出线位移传感器所处位置的活门移动量。

2.根据权利要求1所述的差动电压器式线位移传感器，其特征在于：线圈组件中，除了次级线圈一(7)和次级线圈二(8)自身可以调节电压输出值之外，次级线圈三(9)也可以对次级线圈一(7)和次级线圈二(8)的电压输出值进行调节，从而得到更为精确的电压输出值。

3.根据权利要求1所述的差动电压器式线位移传感器，其特征在于：所述连接杆组件是由连接杆(5)、铁芯(18)、螺堵(17)三段组成并用电子束焊连接在一起，表面打磨平滑形成的；其中连接杆(5)和螺堵(17)两段为非磁性材料，铁芯(18)一段为磁性材料，磁性材料处于两段非磁性材料的中间；对磁性材料进行真空热处理，提高材料导磁性能，使得其灵敏度高，分辨率好。

4.根据权利要求3所述的差动电压器式线位移传感器，其特征在于：连接杆(5)的设计保证铁芯(18)导磁性能好，灵敏度高；铁芯(18)处于电气零点两侧的极限位置时电压输出值对称性一致；铁芯(18)运动中不卡滞，并与线圈组件一起保证运动位移量的分辨率达到微米级别。

5.根据权利要求3所述的差动电压器式线位移传感器，其特征在于：铁芯(18)的三段式结构中顶端一段的螺堵(17)采用的是耐摩擦的材料。

6.根据权利要求1所述的差动电压器式线位移传感器，其特征在于：支持体组件由螺钉(1)，支持体(2)，堵塞(4)，滚珠轴承(24)和螺母(3)组成。

7.根据权利要求1所述的差动电压器式线位移传感器，其特征在于该位移传感器的装配方法如下：线圈结构：用辅助材料聚酰亚胺薄膜(27)均匀包裹在铁芯导筒(16)上，再分别绕制初级线圈(10)，绕制次级线圈三(9)，次级线圈一(7)，次级线圈二(8)，每层线圈之间用聚酰亚胺薄膜(27)分隔开；再将线圈的引出线与辅助材料耐高温导线(25)焊接，焊接完成后用辅助材料无碱玻璃纤维带(29)绑定导线；最后将导磁筒(11)以及导磁环(5)装配到铁芯导筒(16)上；变压器：将装配完成的线圈装配到壳体(19)上，再用灌注料(14)进行灌注。灌注完成后装配底座(15)；再将线圈的线束(13)从壳体(19)上穿出来，并用护线套(12)和辅助材料高性能热缩管保护好线束(13)；最后再进行焊接；铁芯架：将连接杆(5)、铁芯(18)、螺堵(17)用电子束焊连接在一起，表面打磨平滑，制成连接杆组件；将螺钉(1)、支持体(2)、螺母(3)、堵塞(4)、轴承(20)装配在一起，再进行焊接；然后将连接杆组件以1配2的比例装配，组成铁芯架结构；将变压器和铁芯架装配在一起，就完成了线位移传感器。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的差动电压器式线位移传感器，其特征在于：该传感器内部采用填料处理，外部采用焊接，所有零件结合处都焊接，所有零件成为一体。