一种LVDT位移传感器的测试与分析装置的制作方法

一种lvdt位移传感器的测试与分析装置
技术领域
1.本发明属于电磁敏感性测试技术领域，尤其涉及一种lvdt位移传感器的测试与分析装置。


背景技术：

2.航空航天及工业自动化领域中常用的线位移传感器为线性可变差动变压器（linear variable differential transformer），简称为lvdt。其主要由一个初级线圈，两个对称的次级线圈，可移动铁芯、测量杆、内部激励源(振荡器)和信号处理电路构成。铁芯随被测对象的移动而移动，将位移量转换为初级线圈和次级线圈之间互感的变化量，最终体现在次级线圈输出电压的变化上。
3.在航空航天领域中存在对多种位移量的测量需求，如飞机驾驶杆位置、脚蹬位置、航空发动机的油门杆位置、喷口位置以及飞机舵面的偏度等。在测量飞机驾驶杆位置的应用场景下，lvdt将飞机驾驶员的操纵指令转换为电信号并送入飞控计算机中，其能否正常工作直接关系到飞机操纵乃至飞行安全。
4.实用新型专利cn209991929u，lvdt直线位移传感器测量电路，涉及一种芯片调节、直流供电、直流信号输出的lvdt直线位移传感器测量电路, 以解决lvdt信号测量电路的补偿精度差和漂移、调节繁琐的问题，也可通过芯片补偿端点电压来增加lvdt的有效量程。
5.专利申请公开号cn105043232a，一种拖动式lvdt位移传感器校准装置及方法，可以有效解决拖动式lvdt位移传感器在试验或工业应用现场的校准及调试难题，可以快速、准确、方便的校准及调试lvdt位移传感器，具有装置轻便、方法简单、可靠性高、环境适应强、使用方便等特点。
6.专利申请公开号cn104913754a，提供一种位移传感器性能的检测装置及方法，用于精确地检测、判别位移传感器的性能指标，其位移传感器的铁芯运动行程和传感器的感应电压输出反映其性能，结合两种信号绘制的曲线就能判定其性能指标。
7.lvdt内部工作信号微弱，同时其本质上是一个磁敏感的变压器，有必要对其电磁敏感性进行测试和分析，为评估其在复杂电磁环境下的工作性能和提高其可靠性提供指导。有研究者提出一种在ansys maxwell中对lvdt的磁场辐射敏感性进行分析及补偿的仿真方法。首先在ansys maxwell中建立lvdt的物理结构模型，然后在maxwell circuit editor模块中为该物理结构模型添加激励源和信号处理电路；接着对正常工况下和外磁场干扰工况下lvdt的输出特性曲线进行仿真；最后在lvdt的外壳处添加磁屏蔽层，针对该屏蔽层对lvdt输出特性曲线的影响进行仿真和分析。提出的lvdt敏感性仿真分析方法仅仅针对lvdt的磁敏感特性进行了仿真分析，没有分析其传导敏感性，也没有进行实物敏感性测试。因此该仿真分析方法不能够对lvdt的电磁敏感性进行系统性的测试与分析。


技术实现要素：

8.为了解决上述已有技术存在的不足，适应性地对各种类型的lvdt位移传感器进行
系统性的电磁敏感性测试与分析，本发明提出一种lvdt位移传感器电磁敏感性测试与分析装置，本发明的具体技术方案如下：一种lvdt位移传感器的测试与分析装置，包括位移量标定与微调模块、工作原理分析模块、传导敏感性测试与分析模块及磁场辐射敏感性测试与分析模块，其中，所述位移量标定与微调模块用于对位移传感器进行夹持、位移量固定和位移量微调；所述工作原理分析模块用于获取位移传感器信号处理电路的输入输出映射关系，进而分析其工作原理；所述传导敏感性测试与分析模块用于对位移传感器进行注入传导敏感性测试和初级线圈谐波激励测试及相应的分析；所述磁场辐射敏感性测试与分析模块用于对位移传感器进行磁场辐射敏感性测试与分析；所述位移量标定与微调模块包括底座、夹具和位移台，其中，所述底座为平板状，上表面设置两个夹具固定凹槽和位移台固定凹槽，所述夹具用于夹持位移传感器，中部设置通孔，所述位移台包括滑块和用于改变其位置的旋钮，所述滑块的运动方向与两个所述夹具上所述通孔的中心连线平行；所述夹具直接夹持位移传感器，使位移传感器的测量杆与所述滑块接触，通过所述旋钮改变所述滑块的位置进而带动位移传感器的测量杆移动；所述位移台与位移传感器的测量杆的移动方向和行程相适应，位移传感器的测量杆的位移量由位移传感器在正常工况下的输出来标定。
9.进一步地，所述工作原理分析模块的处理过程为：在位移传感器内部激励源与初级线圈、次级线圈与信号处理电路之间引出测量端口，使位移传感器工作在正常工况下，通过所述位移量标定与微调模块在位移传感器的有效工作量程内按照固定步长改变测量杆的位移量，测量并记录以下数据：
①
不同位移量下位移传感器内部激励源为初级线圈所施加激励的频率和幅值；
②
不同位移量下位移传感器次级线圈上电压和电流的频率与幅值；对上述数据进行拟合，获取位移传感器信号处理电路的输入输出映射关系，进而确定位移传感器的具体工作原理。
10.进一步地，所述传导敏感性测试与分析模块能够结合位移传感器信号处理电路的频率特性，对其传导敏感性进行测试和分析，所述传导敏感性测试与分析模块包括：注入传导敏感性测试模块、信号处理电路频率特性分析模块和初级线圈谐波激励测试模块，其中，所述注入传导敏感性测试模块，通过所述位移量标定与微调模块为位移传感器的测量杆设置固定的位移量，在位移传感器的次级线圈和信号处理电路之间引出波形测量端口；使用传导干扰源对位移传感器的初级线圈、次级线圈与激励源、信号处理电路之间的导线注入不同频率和功率的传导干扰信号；测量并记录在不同传导干扰信号下位移传感器的输出偏移；同时通过波形测量端口观察传导干扰信号对位移传感器内部原有工作信号波形的影响；所述初级线圈谐波激励测试模块，通过外部激励源产生带有不同阶次、幅值和相位的高次谐波的单频正弦信号作为初级线圈的激励信号，测量并记录位移传感器的输出偏移，同时通过波形测量端口观察此时位移传感器内部工作信号的波形；所述信号处理电路频率特性分析模块，在断开位移传感器次级线圈与信号处理电路之间的连接后，使用外部激励源代替次级线圈的感应信号，以产生不同频率的等幅单频
正弦信号并输入信号处理电路，测量并记录相应的输出，进而分析其频率特性。
11.进一步地，所述磁场辐射敏感性测试与分析模块，通过所述位移量标定与微调模块为位移传感器的测量杆设置固定的位移量，在位移传感器次级线圈和信号处理电路之间引出波形测量端口；使用磁场辐射干扰源产生不同频率和功率的交变磁场照射位移传感器的线圈和可移动铁芯；测量并记录位移传感器相应的输出偏移；同时通过波形测量端口在位移传感器上电工作状态下观察其受扰前后工作信号波形的变化，或在位移传感器断电状态下观察其内部线圈对空间交变磁场耦合而产生的波形。
12.基于前述装置的的测试与分析方法，包括以下步骤：s1：依据位移传感器的形状和大小制作位移量标定与微调模块；s2：使用工作原理分析模块拟合位移传感器信号处理电路的输入输出映射关系，进而确定其具体工作原理；s3：使用传导敏感性测试与分析模块对位移传感器进行注入传导敏感性测试和初级线圈谐波激励测试，结合信号处理电路的频率特性和位移传感器内部波形变化对测试结果进行分析；s4：使用磁场辐射敏感性测试与分析模块对位移传感器进行磁场辐射敏感性测试，结合信号处理电路的频率特性和位移传感器内部波形变化对测试结果进行分析。
13.本发明的有益效果在于：1.本发明的lvdt位移传感器电磁敏感性测试与分析装置适应性强，能够对各种形状和大小的lvdt位移传感器快速建立便携式工作平台，实现对位移传感器的夹持、位移量标定和微调，进行系统性的电磁敏感性测试，同时进行相应的分析。
14.2.本发明的位移量标定和微调装置可针对各种类型的lvdt位移传感器快速建立便携式工作平台；工作原理分析装置可将lvdt位移传感器视为“黑箱”，通过分析其输入输出映射关系来确定其具体工作原理，为后续的电磁敏感性测试与分析做好准备；传导敏感性测试与分析装置可在对lvdt位移传感器进行传导敏感性测试的同时，对其内部工作信号波形的变化和信号处理电路的频率特性进行分析；磁场辐射敏感性测试与分析装置可在对lvdt位移传感器进行磁场辐射敏感性测试的同时，对其内部工作信号波形的变化和线圈对空间交变磁场的耦合能力进行分析。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1是本发明的lvdt位移传感器的测试与分析装置结构示意图；图2是位移量标定与微调模块示意图；图3是工作原理分析模块示意图；图4是注入传导敏感性测试模块示意图；图5是初级线圈谐波激励测试模块示意图；图6是信号处理电路频率特性分析模块示意图；
图7是磁场辐射敏感性测试与分析模块示意图；图8为位移量标定与微调模块整体结构示意图；图9为底座结构示意图；图10为夹具结构示意图；图11为位移台结构示意图；图12为本发明实施例的位移量标定与微调模块；图13为传感器输出偏移与注入电流频率和功率的关系；图14为本发明实施例的正常工况下的次级线圈信号波形；图15为本发明实施例的传导干扰源功率为40dbm时的次级线圈信号波形（20mhz）；图16为本发明实施例的带3、5、7次谐波的4.56khz正弦波；图17（a）为本发明实施例的lvdt信号处理电路对峰峰值1.414v、频率100hz~0.4mhz输入信号的响应；图17（b）为本发明实施例的lvdt信号处理电路对峰峰值1.414v、频率100hz~60mhz输入信号的响应；图18为本发明实施例的空间中10khz交变磁场在次级线圈上耦合出相应信号。
16.附图标记说明：1-底座，2-夹具，3-位移台，4-夹具固定凹槽，5-位移台固定凹槽，6-通孔，7-滑块，8-旋钮。
具体实施方式
17.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
19.在lvdt位移传感器最基本的形式中，其由外壳，可移动的铁磁芯，初级线圈，对称分布在初级线圈两端的两个次级线圈以及后端信号调理电路组成。初级线圈由交流激励源进行励磁，铁磁芯与被测物体相连，其位置影响初级线圈与两个次级线圈之间的互感，进而改变在两个次级线圈上的感应电压的大小，两路次级线圈的感应电压送入后端信号调理电路，经过处理输出可用信号。商用线性可变差动变压器通常在一个印制电路板上有附带的信号调理硬件。它将包含振荡器、放大器、过滤器、解调器等功能硬件。它可用一个直流电源供电（如15v），信号调理硬件可提供理想的高输入阻抗（如0.2mω）。
20.一种lvdt位移传感器的测试与分析装置，包括位移量标定与微调模块、工作原理分析模块、传导敏感性测试与分析模块及磁场辐射敏感性测试与分析模块，其中，位移量标定与微调模块用于对位移传感器进行夹持、位移量固定和位移量微调；工作原理分析模块用于获取位移传感器信号处理电路的输入输出映射关系，进而分析其工作原理；传导敏感性测试与分析模块用于对位移传感器进行注入传导敏感性测试和初级线圈谐波激励测试及相应的分析；磁场辐射敏感性测试与分析模块用于对位移传感器进行磁
场辐射敏感性测试与分析；位移量标定与微调模块包括底座1、夹具2和位移台3，其中，底座1为平板状，上表面设置两个夹具固定凹槽4和位移台固定凹槽5，夹具2用于夹持位移传感器，中部设置通孔6，位移台3包括滑块7和用于改变其位置的旋钮8，滑块7的运动方向与两个夹具2上通孔6的中心连线平行；夹具2直接夹持位移传感器，使位移传感器的测量杆与滑块7接触，通过旋钮8改变滑块7的位置进而带动位移传感器的测量杆移动；位移台3与位移传感器的测量杆的移动方向和行程相适应，位移传感器的测量杆的位移量由位移传感器在正常工况下的输出来标定。
21.在一些实施方式中，工作原理分析模块的处理过程为：在位移传感器内部激励源与初级线圈、次级线圈与信号处理电路之间引出测量端口，使位移传感器工作在正常工况下，通过位移量标定与微调模块在位移传感器的有效工作量程内按照固定步长改变测量杆的位移量，测量并记录以下数据：
①
不同位移量下位移传感器内部激励源为初级线圈所施加激励的频率和幅值；
②
不同位移量下位移传感器次级线圈上电压和电流的频率与幅值；对上述数据进行拟合，获取位移传感器信号处理电路的输入输出映射关系，进而确定位移传感器的具体工作原理。
22.在一些实施方式中，传导敏感性测试与分析模块能够结合位移传感器信号处理电路的频率特性，对其传导敏感性进行测试和分析，传导敏感性测试与分析模块包括：注入传导敏感性测试模块、信号处理电路频率特性分析模块和初级线圈谐波激励测试模块，其中，注入传导敏感性测试模块，通过位移量标定与微调模块为位移传感器的测量杆设置固定的位移量，在位移传感器的次级线圈和信号处理电路之间引出波形测量端口；使用传导干扰源对位移传感器的初级线圈、次级线圈与激励源、信号处理电路之间的导线注入不同频率和功率的传导干扰信号；测量并记录在不同传导干扰信号下位移传感器的输出偏移；同时通过波形测量端口观察传导干扰信号对位移传感器内部原有工作信号波形的影响；初级线圈谐波激励测试模块，通过外部激励源产生带有不同阶次、幅值和相位的高次谐波的单频正弦信号作为初级线圈的激励信号，测量并记录位移传感器的输出偏移，同时通过波形测量端口观察此时位移传感器内部工作信号的波形；信号处理电路频率特性分析模块，在断开位移传感器次级线圈与信号处理电路之间的连接后，使用外部激励源代替次级线圈的感应信号，以产生不同频率的等幅单频正弦信号并输入信号处理电路，测量并记录相应的输出，进而分析其频率特性。
23.在一些实施方式中，磁场辐射敏感性测试与分析模块，通过位移量标定与微调模块为位移传感器的测量杆设置固定的位移量，在位移传感器次级线圈和信号处理电路之间引出波形测量端口；使用磁场辐射干扰源产生不同频率和功率的交变磁场照射位移传感器的线圈和可移动铁芯；测量并记录位移传感器相应的输出偏移；同时通过波形测量端口在位移传感器上电工作状态下观察其受扰前后工作信号波形的变化，或在位移传感器断电状态下观察其内部线圈对空间交变磁场耦合而产生的波形。
24.一种lvdt位移传感器的测试与分析方法，
包括以下步骤：s1：依据位移传感器的形状和大小制作位移量标定与微调模块；s2：使用工作原理分析模块拟合位移传感器信号处理电路的输入输出映射关系，进而确定其具体工作原理；s3：使用传导敏感性测试与分析模块对位移传感器进行注入传导敏感性测试和初级线圈谐波激励测试，结合信号处理电路的频率特性和位移传感器内部波形变化对测试结果进行分析；s4：使用磁场辐射敏感性测试与分析模块对位移传感器进行磁场辐射敏感性测试，结合信号处理电路的频率特性和位移传感器内部波形变化对测试结果进行分析。
25.综上，本发明公开的lvdt位移传感器电磁敏感性测试与分析装置，分析其在正常工况下的端口特性，包括初级线圈激励信号的频率和有效值，铁芯不同位置下两路次级线圈感应信号的电压有效值和电流有效值。通过给传感器的信号处理电路送入与原有正常工作信号频率相同的一定峰峰值和直流偏置的正弦信号，分析和验证lvdt信号处理电路的工作原理。
26.通过端口特性分析，发现lvdt位移传感器内部工作信号微弱，因此对其进行传导敏感度测试；由于lvdt位移传感器本质上是一个开磁路的变压器，因此对其进行磁场辐射敏感度测试。对上述电磁敏感性测试的结果进行分析，在此基础上建立lvdt位移传感器的电磁敏感性模型，为评估复杂电磁环境下lvdt位移传感器的工作性能和提升其电磁敏感阈值提供指导。
27.为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
28.实施例1本实施例通过深圳米朗科技有限公司的lvdt8方形变送器笔式位移传感器展开，同时使用了浙江润佳气动科技有限公司的lgx40-c型光学位移台。
29.lvdt8方形变送器笔式位移传感器的量程为0-10mm，通过12-24v直流电压供电，输出0-10v直流电压，重复误差为1μm，输出与位移近似成线性，存在0.25%的非线性度。lgx40-c型光学位移台行程为13mm，精度为0.01mm。
30.光学位移台自带的千分尺精度为0.01mm，大于传感器自身的重复误差1μm，同时3d打印出的底座存在微小的形变，置放工作平台的桌子也会由于外物碰撞发生形变。因此不通过外物来标定传感器的位移量，而是通过其在正常工况下的直流输出来确定传感器的实际位移量。这样光学位移台的作用是固定传感器铁芯的位移量，以及提供微调此位移量的手段。
31.基于上述位移传感器和光学位移台的形状尺寸，通过3d打印制作位移量标定与微调模块，如图12所示。
32.使位移传感器工作在正常工况下，通过位移量标定与微调模块在位移传感器的有效工作量程内按照固定步长改变测量杆的位移量，测得初级线圈两端电压有效值和通过的电流有效值在不同位移量下稳定在1.42vrms和6.1marms左右，频率为4.56khz；测量不同位移量下次级线圈上电压和电流的频率与幅值，结果如表1所示。
33.表1次级线圈输出特性
对表1的数据进行拟合，即可获取位移传感器信号处理电路的输入输出映射关系，如下式所示：直流输出(v)=(次级线圈2的v
rms-次级线圈1的v
rms
)*11.13 4.99v上式中括号内表示“差分”，实际电路中是对两路感应电压进行全波整流后的平均值进行差分；“*11.13”代表放大，11.13是使用两线圈的电压有效值数据计算得到，并不是实际电路中真实的差分放大倍数；“ 4.99v”表示直流偏置，目的是将传感器的直流输出规整为0-10v的标准信号输出格式。在注入传导敏感性测试模块中令传到干扰源功率分别固定为35dbm和40dbm，频率从100khz到400mhz变化，得到传感器输出偏移与注入电流频率和功率的关系如图13所示。
34.本实施例中的lvdt位移传感器的线性度是0.25%，即实际输出特性曲线与拟合直线之间的最大误差和满量程10mm的比值是0.25%，即25μm。因此对于25μm以下的输出偏移可以接受。
35.正常工况下和传导干扰源功率为40dbm（20mhz）时的次级线圈信号波形如图14和图15所示，由图可以看出在4.56khz的单频工作信号上叠加了明显的高频噪声，但此时lvdt位移传感器的直流输出没有发生偏移（偏移可接受）。
36.图16为由外部激励源产生的带有高次谐波的初级线圈激励信号，用其代替传感器的内部激励源来为初级线圈提供激励，其中谐波的峰峰值约为基频信号峰峰值的十分之一，此时传感器发生了61μm的输出偏移，超出可以接受的范围。
37.将信号处理电路的一路输入置零，一路输入1.414vpp，100hz~60mhz的单频正弦信号，其相应的响应如下图17（a）和图17（b）所示，可知信号处理电路对300khz以下的输入信号较为敏感，而对1mhz以上的输入信号几乎没有响应。因此叠加在原有工作信号上的高频噪声仅会引起较小的可以接受的输出偏移，而叠加在原有工作信号上的高次谐波会造成较大的不能接受的输出偏移。在实验过程中还发现次级线圈对空间交变磁场有较强的耦合能力，如图18所示。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、
ꢀ“
上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
41.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。