带有互补绕组二次线圈的线性可变差动变压器的制作方法

1.本发明属于传感器技术领域，尤其涉及线性可变差动变压器。


背景技术：

2.随着我国国民经济的高速发展，自动化程度的不断提高，传感器的用量越来越大，开发高新技术位移传感器产品具有广阔的前景。差动式位移传感器具有精度高，动态特性好，工作可靠，使用方便等特点，可广泛应用于航天航空、机械、建筑、纺织、铁路、煤炭、冶金、塑料、化工以及科研院校等国民经济各行各业，用来测量伸长、振动、物体厚度、膨胀等的高技术产品。
3.线性可变差动变压器(lvdt)是一种机电转换器，可将外部对象的直线运动转换为与对象位置成比例的电信号。线性可变差动变压器(lvdt)已与广泛的测量和控制装置(如流量计、应变计和压力传感器)结合使用。使用线性可变差动变压器(lvdt)的重要特征包括：
4.(1)在相对于装置总长度的相对较大位移范围内产生线性输出信号的能力；
5.(2)耐久性和可靠性；
6.(3)相对较低的制造成本。
7.现有线性可变差动变压器(lvdt)技术装置中，使用了两个独立且重叠的次级线圈绕组。绕组呈锥形，线圈一端应用的导线层数最大，线圈另一端的层数逐渐减少至零。线圈连接的极性相反，因此感应电压的相位相反，使设备的输出为两个次级线圈的感应电压的差值。当铁质耦合元器件在线圈内移动时，一个线圈内的感应电压增加，而另外一个线圈的感应电压在减少，从而产生一个线性成比例的可变输出电压。
8.现有技术中已采用多种技术来最大化线性可变差动变压器(lvdt)的线性工作范围，但是，难以通过机器或手动制造锥形绕组。生产具有足够锥度的线圈所需的线径是不切实际的，现有技术设备相对构建比较困难，因此制造成本相对较高。


技术实现要素：

9.本发明是为了解决具有足够锥度的线圈难以通过机器或手动制造，无法满足可变差动变压器的线性工作需求的问题，现提供带有互补绕组二次线圈的线性可变差动变压器。
10.带有互补绕组二次线圈的线性可变差动变压器，包括：线圈骨架g1、初级线圈c1、第一次级线圈s1和第二次级线圈s2，初级线圈c1缠绕在线圈骨架g1上，第一次级线圈s1和第二次级线圈s2均缠绕在初级线圈c1外侧，第一次级线圈s1和第二次级线圈s2均包括n个层叠设置的线圈层，n为正整数，第一次级线圈s1的n个线圈层由内至外轴向长度依次增大，第二次级线圈s2的n个线圈层由内至外轴向长度依次减小。
11.进一步的，上述初级线圈c1由单根导线缠绕至少两层。
12.进一步的，上述初级线圈c1的导线由线圈骨架g1一端沿同一方向缠绕至线圈骨架
g1另一端，构成一层，然后改变缠绕方向再由线圈骨架g1另一端缠绕至线圈骨架g1一端，构成第二层，依此类推直至达到规定层数。
13.进一步的，上述第一次级线圈s1和第二次级线圈s2均由单根导线缠绕而成，且每个线圈层至少包括两层导线。
14.进一步的，上述n的取值为6。
15.进一步的，上述每一层第一次级线圈层的导线均由初级线圈c1一端沿同一方向缠绕一段距离至该层终点，构成该层第一次级线圈层的第一层导线，之后改变缠绕方向由该层终点缠绕回到初级线圈c1一端，构成该层第一次级线圈层的第二层导线，相邻两层第一次级线圈层的轴向长度之差为步长λ。
16.进一步的，上述每一层第二次级线圈层的导线均由初级线圈c1另一端沿同一方向缠绕一段距离至该层终点，构成该层第二次级线圈层的第一层导线，之后改变缠绕方向由该层终点缠绕回到初级线圈c1另一端，构成该层第二次级线圈层的第二层导线，相邻两层第二次级线圈层的轴向长度之差为步长λ。
17.进一步的，上述位于同一层的第一次级线圈层和第二次级线圈层的轴向长度之和等于初级线圈c1的轴向长度。
18.进一步的，上述第一次级线圈s1和第二次级线圈s2以相反相位串联。
19.本发明通过提供以线圈层缠绕的两个连续且互补的次级线圈来克服现有技术装置中的缺陷。在相对较长的磁芯位移范围内提供线性输出响应，并且需要最少数量的内部电气连接，本发明容易通过机器或手动方法制造。
20.同时本发明所述的带有互补绕组二次线圈的线性可变差动变压器，也是一种差动式位移传感器。电压幅值用于跟踪耦合元器件位移，输出电压与耦合元器件位移成线性比例，并且线性可变差动变压器(lvdt)的线性工作范围相对于装置的总长度最大化。
21.本发明所述的线性可变差动变压器(lvdt)与现有技术设备相比具有高度可靠性、构造更简单和制造成本更低的特点。本发明提供了在长直线位移范围内的高度线性输出信号，同时，比当前可用的线性可变差动变压器(lvdt)装置构造更简单且成本更低。
附图说明
22.图1为现有技术锥形线圈的线性可变差动变压器纵向截面示意图；
23.图2为线性可变差动变压器的电气原理图；
24.图3为新型阶梯式线圈的线性可变差动变压器纵向截面示意图。
25.g1线圈骨架、c1初级线圈、s1第一次级线圈、s2第二次级线圈、s11第一层第一次级线圈层、s12第二层第一次级线圈层、s13第三层第一次级线圈层、s14第四层第一次级线圈层、s15第五层第一次级线圈层、s16第六层第一次级线圈层、s21第一层第二次级线圈层、s22第二层第二次级线圈层、s23第三层第二次级线圈层、s24第四层第二次级线圈层、s25第五层第二次级线圈层、s26第六层第二次级线圈层。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.图1是现有技术中锥形线圈lvdt的纵向截面示意图。主要部件包括空心线圈骨架g1、初级线圈c1、第一次级线圈s1和第二次级线圈s2。初级线圈c1缠绕在圆柱形线圈骨架g1上，第一次级线圈s1以锥形缠绕在初级线圈c1上，线圈右端的绕线数量最大，线圈的左端缠绕最小数量的电线。第二次级线圈s2以互补形式缠绕在第一次级线圈s1上。在图2中，初级线圈c1终止于骨架的一个步长的距离，次级线圈s1、s2终止于骨架的两端。当交流电流流过初级线圈c1时，不同位置的耦合元器件将不同的输入电压耦合到次级线圈s1、s2，并可在输出处测量。次级线圈s1、s2的接线与极性如图2所示，产生的输出信号是次级线圈s1、s2中感应电压之间的差值。
28.初级线圈c1和次级线圈s1、s2之间的互感量是可移动耦合元器件的物理位置的函数。如图1所示，当可移动耦合元器件位于装置右侧附近时，耦合元器件靠近第一次级线圈s1的厚部分，而远离第二次级线圈s2的厚部分。次级线圈s1、s2中的电压是每个线圈中绕线数量及其与耦合元器件距离的函数。因此，当耦合元器件靠近设备右侧时，第一个次级线圈s1中的感应电压将高于第二次级线圈s2中的感应电压，因为第一个次级线圈s1围绕耦合元器件的区域比第二个次级线圈s2的厚。随着耦合元器件从右向左移动，由于每个线圈的厚度不同，它逐渐将更多的电压感应到第二个次级线圈s2中，而将更少的电压感应到第一个次级线圈s1中。在线圈骨架g1内耦合元器件位移的某个特定点时候，两个次级线圈s1、s2中感应的电压大小相等(但极性相反)，导致输出的输出电压为零。这个特定的位置被称为“零位”。零位置不对应于位于设备物理中心的磁芯，因为当耦合元器件位于设备的中心时，第一次级线圈s1比第二次级线圈s2更靠近耦合元器件。两个次级线圈s1、s2的这种距离差导致在较近的线圈中感应出更多的电压。
29.但是，上述结构难以通过机器或手动制造锥形绕组。生产具有足够锥度的线圈所需的线径是不切实际的，现有技术设备相对构建比较困难，因此制造成本相对较高。下面采用具体实施方式一来解决上述问题。
30.具体实施方式一：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的带有互补绕组二次线圈的线性可变差动变压器包括：线圈骨架g1、初级线圈c1、第一次级线圈s1和第二次级线圈s2。
31.初级线圈c1缠绕在线圈骨架g1上。初级线圈c1由单根导线缠绕两层。具体缠绕方式为：初级线圈c1的导线由线圈骨架g1一端沿同一方向缠绕至线圈骨架g1另一端，构成一层；然后改变缠绕方向再由线圈骨架g1另一端缠绕至线圈骨架g1一端，构成第二层。
32.第一次级线圈s1和第二次级线圈s2均缠绕在初级线圈c1外侧。第一次级线圈s1和第二次级线圈s2均包括6个层叠设置的线圈层。第一次级线圈s1的6个线圈层由内至外轴向长度依次增大，第二次级线圈s2的n个线圈层由内至外轴向长度依次减小。第一次级线圈s1和第二次级线圈s2均由单根导线缠绕而成，且每个线圈层包括两层导线。
33.具体的，第一次级线圈s1和第二次级线圈s2的缠绕方式如下：
34.第一次级线圈s1由内至外依次为第一层第一次级线圈层s11、第二层第一次级线圈层s12、第三层第一次级线圈层s13、第四层第一次级线圈层s14、第五层第一次级线圈层
s15和第六层第一次级线圈层s16。
35.第一次级线圈s1的导线由初级线圈c1一端沿同一方向缠绕一段距离至第一层第一次级线圈层s11的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1一端，构成第一层第一次级线圈层s11；
36.然后改变缠绕方向并由初级线圈c1一端缠绕一段距离至第二层第一次级线圈层s12的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1一端，构成第二层第一次级线圈层s12；
37.然后改变缠绕方向并由初级线圈c1一端缠绕一段距离至第三层第一次级线圈层s13的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1一端，构成第三层第一次级线圈层s13；
38.然后改变缠绕方向并由初级线圈c1一端缠绕一段距离至第四层第一次级线圈层s14的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1一端，构成第四层第一次级线圈层s14；
39.然后改变缠绕方向并由初级线圈c1一端缠绕一段距离至第五层第一次级线圈层s15的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1一端，构成第五层第一次级线圈层s15；
40.然后改变缠绕方向并由初级线圈c1一端缠绕一段距离至第六层第一次级线圈层s16的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1一端，构成第六层第一次级线圈层s16。
41.第二次级线圈s2由内至外依次为第一层第二次级线圈层s21、第二层第二次级线圈层s22、第三层第二次级线圈层s23、第四层第二次级线圈层s24、第五层第二次级线圈层s25和第六层第二次级线圈层s26。
42.第二次级线圈s2的导线由初级线圈c1另一端沿同一方向缠绕一段距离至第一层第二次级线圈层s21的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1另一端，构成第一层第二次级线圈层s21；
43.然后改变缠绕方向由初级线圈c1另一端缠绕一段距离至第二层第二次级线圈层s22的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1另一端，构成第二层第二次级线圈层s22；
44.然后改变缠绕方向由初级线圈c1另一端缠绕一段距离至第三层第二次级线圈层s23的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1另一端，构成第三层第二次级线圈层s23；
45.然后改变缠绕方向由初级线圈c1另一端缠绕一段距离至第四层第二次级线圈层s24的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1另一端，构成第四层第二次级线圈层s24；
46.然后改变缠绕方向由初级线圈c1另一端缠绕一段距离至第五层第二次级线圈层s25的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1另一端，构成第五层第二次级线圈层s25；
47.然后改变缠绕方向由初级线圈c1另一端缠绕一段距离至第六层第二次级线圈层s26的终点，之后改变缠绕方向并由该终点缠绕至初级线圈c1另一端，构成第六层第二次级
线圈层s26。
48.相邻两层第一次级线圈层的轴向长度之差为步长λ。相邻两层第二次级线圈层的轴向长度之差为步长λ。位于同一层的第一次级线圈层和第二次级线圈层的轴向长度之和等于初级线圈c1的轴向长度。
49.第一次级线圈s1和第二次级线圈s2以相反相位串联。两个线圈之间还提供中心点电连接，以便可以独立测量每个次级线圈的电压。通过这种方式，可以使用外部电子元件独立并同时测量两个次级电压的和和差。
50.本实施方式工作原理如下：在图3中，可动耦合元器件于线圈骨架g1的右边缘附近。可动耦合元器件可以进行横向移动，使得参数发生。耦合元器件所处位置不同情况下，磁通量在第一次级线圈s1和第二次级线圈s2中感应电压不同。在第一次级线圈s1和第二次级线圈s2中感应的电压的大小是磁场通过该线圈磁通量的函数,。通过每个次级线圈的磁通量的大小是初级线圈的输入电压和可移动磁芯相对于次级线圈位置的函数。
51.可动耦合元器件被第二次级线圈s2的六层线圈层包围，同时又被第一次级线圈s1的六层线圈层包围。因此，当围绕耦合元器件的磁场在第二次级线圈s2中感应到的电压比在第一次级线圈s1中感应出的电压高，因为第二次级线圈s2具有更多的绕线来拦截围绕耦合元器件的磁场。围绕在耦合元器件的磁场拦截第一次级线圈s1的磁场比来自第二次级线圈s2的磁场多。因此，随着耦合元器件从右向左移动，第一次级线圈s1中产生的电压增加，而第二次级线圈s2中产生的电压减小。通过测量和比较两个电压，可以准确地确定耦合元器件的位置。耦合元器件的位置可以与需要测量的参数相关联，实现不同参数量的测量。
52.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。