双边双结构的感应式位移传感器

李建文, 于禀龙, 朱 卫, 刘 娜

(1.天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津 300384;2.苏州海之博电子科技有限公司, 江苏 苏州 215000)

0 引 言

在新能源电动车里,感应式直线传感器被用在电子刹车助力器中,来识别脚踏板移动距离。目前应用较多的直线传感器有光电式[1,2]、磁场式[3～5]、电容式[6～8]等几类。由于光电式在一些高精度、集成化高的场所中,受工艺限制,同时环境中的灰尘也会影响测量的准确性；电容式传感器会因为时效性,使测量反应不及时而受限；而电磁式传感器更适合环境复杂、测量时效性强的领域,因此更加被优先使用[9,10]。例如:2014年，李志鹏等人提出的非接触式位置传感器的电磁感应原理及激励线圈对感应线圈在不同位置有对应信号产生[11]；2017年，鲁进等人提出的时变磁场的位移测量方法,对其激励线圈的激励方式和布线方式进行位移测量[12]；2020年，谷星莹等人提出的双边式的感应结构,降低了测量的误差率,提高信号质量[13]；2015年，那少聃等人对汽车电动助力转向(EPS)系统角度传感器的测量特性,将游标原理的处理算法运用其中,从而测量汽车转向的角度信号[14]。

在内置感应线圈的感应式传感器中,针对有效量程受限的问题,设计了一种双边双结构传感器模型,利用该结构将感应的2种信号相位进行改进,降低了信号相位的偏差性,进而增加了有效量程比。通过Ansoft Maxwell仿真,将2种传感器的感应信号对比,证明双边双结构的模型在相位对应上更加稳定；同时验证了2个激励信号相位差在90°时,感应信号幅值更加明显。

1 传感器的结构与工作原理

1.1 传感器结构

本文所述的双边双结构感应式传感器是由激励线圈的定尺和感应线圈的动尺组成,如图1所示。

图1 直线位移传感器结构示意

其中，在定尺上输入2种有相位差的激励电流,及正弦信号和余弦信号从图1(a)中左侧信号输入端分别输入,右侧输出。由图1(b)和图1(c)动尺从定尺上下两边的一定水平高度滑动,则每组感应线圈同时感应到不同的感应信号。其中，传感器动尺的2组感应线圈设计,保证了2种信号的稳定输出,增加了设备使用的兼容性。图1(a)中动尺线圈呈周期性分布,其结构尺寸与定尺感应线圈尺寸呈一定关系,其中，一个周期的物理长度为L,每隔2种激励线圈的间距为L/4。

1.2 传感器工作原理

该双边双结构感应式位移传感器工作时,由图2中信号的输入方式对定尺中的2对端口分别通入2种激励信号,例如

i1(t)=Asinωt

(1)

i2(t)=Acosωt

(2)

式中i为输入的激励信号,mA；A为最大电流幅值；ω为电流频率,Hz。则会在图2定尺中的空间磁场中,产生各个流向的电流磁场,其表达式为式(3)～式(6)

图2 定尺激励信号流向

B1=ksinωt

(3)

B2=-ksinωt

(4)

B3=kcosωt

(5)

B4=-kcosωt

(6)

式中B为磁感应强度,T；k为与传感器的相关系数。

当传感器的动尺分别在定尺的上、下方按一定速度水平移动时,其接收线圈的磁通量会发生相对改变,其中感应线圈图1(b)在通道B1、B2、B3和B4的磁通公式为

(7)

(8)

(9)

(10)

感应线圈图1(c)在通道B1、B2、B3和B4的磁通公式为

(11)

(12)

(13)

(14)

式中 Δh为感应线圈幅值高度,mm；x为感应线圈移动的位移,mm；2π·x/L为将位移量转换成弧度单位值,rad；Φ为感应线圈在各个流向的磁通量,Wb。其中，对位移量积分是将感应线圈在磁场中增加和减少的磁通面积之和。

由磁场叠加原理,将Φ1(t,x),Φ2(t,x),Φ3(t,x)和Φ4(t,x)进行合并,同时将Φ′1(t,x),Φ′2(t,x),Φ′3(t,x)和Φ′4(t,x)合并,然后利用公式

(15)

式中e为感应电动势,mV；n为线圈数；S为线圈的有效磁通面积,m2。

将式(7)～式(10)和式(11)～式(14)分别合并后利用式(15),可求出两感应线圈在激励信号作用下产生的感应电动势为[15]

(16)

(17)

最终得到2种感应线圈在移动不同距离时的电动势表达式,且各个电动势的幅值与位移量无关,只于传感器的参数有关。

2 基于Ansoft的模型仿真

根据图1的定尺、动尺结构,并按照图2的尺寸绘制模型,利用Ansoft有限元仿真软件对双边双结构模型进行简化创建并仿真[16],双边双结构传感器模型各主要参数如表1所示。

表1 双边双结构传感器模型参数

同时按照现在电子刹车助力器中安装的内置感应线圈的感应式传感器结构,绘制对应模型做对比,其感应式传感器模型主要参数如表2所示。

表2 感应式传感器模型参数

根据参数建模,对仿真解析方式选择EddyCurrent,并选择Maxwell 3D建模方式进行建模,同时简化模型将各组激励线圈和感应线圈连接构成闭合线圈,从中建立互感电流线圈,分别对结构进行仿真,2种结构模型对比如图3所示。

图3 仿真结构对比

通过对不同结构内的激励源进行设置,如图3(a),(b)中,感应线圈相对激励线圈移动；而图3(c),(d)中,激励线圈包围感应线圈,当金属薄片在上方移动会在感应线圈上产生感应信号。保证移动间距和步距相同,仿真结果处理如图4所示。可以看出,采用双边双结构传感器模型,既可以保证2种信号的输出,且减小了传感器两端信号相位差的范围,在数据处理时有效提高了有效量程比。

图4 相位对比

在图3(a),(b)的激励线圈,将不同相位的激励信号分别进行仿真,如图5所示。从仿真结果可以看出,该结构对不同相位的激励信号具有兼容性,不会影响两感应信号的相位关系,具有一定的鲁棒性；同时验证了在相位差为90°时,感应信号最优。

图5 不同相位差正、余弦激励信号幅值对比仿真输出

3 传感器实验分析验证

用于实验验证该文介绍的双边双结构传感器样机和感应式传感器样机,均采用印刷电路板(printed circuit board,PCB)双面板工艺制造,其中双边双结构传感器中激励线圈集成了4个周期,会感应出4个周期感应信号；而感应式传感器中内置了1个周期的感应线圈,会感应出1个周期的感应信号,其2种传感器如图6所示。

图6 传感器样机

为了验证仿真的分析结果,实验验证2种传感器的样品,搭建了如图7(a)所示的实验平台。该实验平台分别由①显示器、②信号采集器、③工控仪、④六轴控制器等几部分组成。其中，传感的一部分固定在实验平台上,另一部分固定在六轴控制器的一端,其运动部分会随着六轴控制器的y轴移动而测量出对应感应信号。

图7 传感器样机测试实验台

为了验证2种传感器的有效量程比,分别对传感器样机进行测试,对测量量程进行采样,测量部分误差如图8(a)，(b)所示。可以看出，2种传感器的相位误差主要在传感器的两端,中间部分在一点波动内处于有效量程,而两端因相位差则出现误差,由感应曲线可以证明,双边双结构传感器比感应式传感器的有效量程比增加了19 %。

通过对本文设计的双边双结构传感器的2个激励线圈,通入不同相位的信号源,利用信号发生器和示波器来验证感应信号的幅值。如图7(b)所示,其中，①为信号发生器,为定尺提供不同相位差的激励信号,相位差可调节并显示；②为示波器,测量感应线圈上感应的信号。

通过调节激励相位信号差,对感应信号的几个幅值进行采集,对各个峰值进行取样并求平均,其中，正、余弦感应线圈数据计算,并对其绘制如图8(c)的相位曲线,不同激励相位差会影响感应信号的幅值,可以根据需求通过调节激励信号的相位差,达到需求；同时证明，在相位差为90°时,信号幅值为最强,即此相位差为最优选择。

图8 传感器测试曲线

4 结束语

本文设计了一种双边双结构的感应式传感器,目的是解决电子刹车助力器中感应式位移传感器的有效量程问题,并通过该结构有效地增加了有效量程比。介绍了该传感器的结构、功能原理、2种传感器模型的仿真模型、仿真数据和实验数据对比。两种仿真数据和实验结果均验证表明：本文提出的双边双结构传感器在保证了2种感应信号的输出前提下,与内置感应线圈的感应式传感器相比提高了19 %的有效量程比,在结构精密、空间不足的设备中,对解决测量距离受限有了很大意义。

此外,该传感器在对两激励信号的不同相位差做了相关实验和仿真,实验结果证明：输入不同相位差的激励信号,在感应线圈上感应出不同幅值的感应信号,且两感应信号之间的相位差均保持稳定,则双边双结构传感器具有一定的鲁棒性,不会因激励信号而影响感应信号的相位差,从而影响传感器的有效量程。并且根据对各个激励相位差的采样,证明了在90°相位差时感应信号为最优选择。