直线差动变压器式位移传感器动态响应时间测试方法与流程

1.本发明涉及响应时间测试，尤其涉及一种直线差动变压器式位移传感器动态响应时间测试方法。


背景技术：

2.随着位移传感器应用需求的日益发展，对传感器输出响应时间等动态特性的要求也越来越高；对于直线差动变压器式位移传感器而言，传感器的测量精度、环境适应性等指标直接关系到传感器的工作性能。而直线位移传感器的响应时间，是传感器的信号输出响应位移探测拉杆位移量变化所需要的时间。作为传感器的重要动态特性指标，其实反映传感器与被测位移量变化同步程度最重要的参数之一。需要对其进行准确、有效的测量，以此准确鉴定位移传感器的动态响应能力。
3.目前在国内外，一直没有关于直线位移传感器动态响应时间的有效测试方法，现有方法包括：(一)自由落体测试法。
4.把位移传感器的探测拉杆放置于其往复移动的位移传感器腔体内的零点位置，运动趋势朝向地面方向，让探测拉杆呈自由落体方式跌落，与此同时，用可存储示波器记录传感器从零点位置到满量程位置的整个输出过程。根据自由落体运动公式：可以计算得出拉杆移动所需要的时间。其中，s是拉杆移动的位移量，g是重力加速度，g＝9.8m/s2，t是探测拉杆从零点位置下落到满量程位置所需要的时间。例如：某型号位移传感器的量程是20mm,根据自由落体公式s＝20mm,求得t＝63.9ms。可见拉杆在自由落体状态下的移动时间长达63.9ms，足以掩盖传感器的真实响应时间。拉杆自由落体跌落的初速度为0m/s，而移动到满量程位置时的速度也仅为0.63m/s(v
t
＝gt)，由此可见，探测拉杆在自由落体条件下的移动速度还是十分有限的，无法充分实现对传感器的动态响应时间的精确测量。因此，在针对传感器响应时间要求比较高(10ms以内)的测试对象，不适宜采用自由落体测试方法。
5.(二)弹簧加速测试法。
6.为在测试实验过程中提高传感器探测拉杆的移动速度，在拉杆之上加装轻质刚性弹簧并妥善安装固定，如图1所示。根据弹簧弹力公式：f＝k
×
x(k为弹簧的弹性系数,x为弹簧的形变量)以及牛顿第二定律公式f＝m
×
a，可以计算得出位移探测拉杆在弹簧作用下从零点位置到满量程位置的移动时间。
7.本实验测得弹簧在零位时的弹力为5kg(49牛顿)，某型号位移拉杆及螺母质量合计为10g,计算得到拉杆的平均运动加速度远远大于自由落体加速度9.8m/s2。进一步计算在弹簧弹力作用下，探测拉杆从零点位置到满量程位置所需的移动时间约为4ms。如图2所示，实验测得某型号位移传感器从零点位置到满量程位置，传感器输出
响应时间约为7ms，这其中包括探测拉杆移动所占用的时间。
8.由此可见，尽管在弹簧作用下，位移探测拉杆的移动速度大大提升，但仍然存在4ms的移动时间，在实际测试位移传感器的响应时间时，应从传感器的输出响应时间中剔除拉杆移动所占用的时间，因此，位移传感器的实际动态响应时间为约为3ms。由于探测拉杆的实际移动时间很难做出十分精确的计算，因此，弹簧加速测试法的测量精度一般只能控制在1.5ms以内，只能用于响应时间不超过5ms的位移传感器动态性能测试。为实现对位移传感器动态响应时间更为准确的测试，需进一步优化实验方案。


技术实现要素：

9.本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种直线差动变压器式位移传感器动态响应时间测试方法。
10.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括以下步骤：
11.步骤1、将直线差动变压器式位移传感器的探测拉杆置于满量程位置；
12.步骤2、对所述传感器的初级线圈施加瞬时激励信号；
13.步骤3、同时，用可存储示波器监测传感器从零点到满量程过程中输出信号的变化；
14.步骤4、当输出信号达到满量程信号幅值的时刻，其滞后于瞬时激励信号起始时刻的时间长度，即该位移传感器的响应时间。
15.进一步地，所述激励信号采用正弦波信号。
16.更进一步地，所述正弦波信号的频率为10khz,信号幅值为3v。
17.更进一步地，所述激励信号采用快速开关控制激励信号的输出，在初级线圈两端施加瞬时激励信号。
18.进一步地，用可存储示波器跟踪、记录位移传感器输出信号波形的完整变化过程；用示波器的1通道，跟踪、记录快速开关的同步闭合信号，用示波器的2通道，跟踪、记录位移传感器的输出信号。
19.与现有技术相比本发明有益效果。
20.本发明提出了新型响应时间测量方法—励磁线圈瞬时信号激励测试法，从而有效提升了响应时间的测量准确度。
附图说明
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
22.图1是弹簧加速测试法中拉杆加装弹簧示意图。
23.图2是弹簧加速测试法中传感器输出响应曲线图。
24.图3是励磁线圈瞬时信号激励测试法中差动变压器工作原理图。
25.图4是本发明传感器零点及满量程位置关系图。
26.图5是激励信号快速开关同步闭合信号与输出信号响应时间测试曲线。
27.1为传感器壳体、2为传感器腔体、3为探测拉杆、4为零点位置、5为满量程位置、6为有效行程范围。
具体实施方式
28.直线位移传感器的响应时间，是传感器的信号输出响应位移探测拉杆位移量变化所需要的时间。在实际测试过程中，为了能更为准确地测试位移传感器的响应时间，应使探测拉杆的移动速度足够快，快到其移动时间相对于位移传感器的响应时间可忽略不计的程度。以避免探测拉杆的运动时间叠加到位移输出的响应时间中而无法被有效剔除。
29.具体实施例1：包括以下步骤：预先把传感器的探测拉杆3放置在满量程位置5，然后对传感器的初级线圈快速施加瞬时激励信号，这一步骤相当于把探测拉杆以极快的速度，由零点位置4移动到满量程位置5，省去了拉杆的机械移动时间。
30.实施例中励磁线圈瞬时信号激励测试法工作原理：差动变压器式位移传感器是利用电磁感应原理制成的，如图3所示，当变压器的初级线圈(励磁线圈)施加交流激励信号时，铁芯中便产生交变磁通。交变磁通用φ表示，初、次级线圈中的φ是相同的。由法拉第电磁感应定律可知，初、次级线圈中的感应电动势分别为e1＝
‑
n1dφ/dt、e2＝
‑
n2dφ/dt。式中n1、n2为原、副线圈的匝数，u1＝
‑
e1，u2＝e2(u1为初级线圈电压有效值，u2为次级线圈电压有效值)。令k＝n1/n2，k称为变压器的变比。由上式可得u1/u2＝
‑
n1/n2＝
‑
k，即变压器初、次级线圈电压有效值之比，等于其匝数比，且初、次级线圈电压的相位相差为π。
31.由上述理论分析及实际测试得出，位移传感器初级线圈激励和次级线圈输出之间的相位差为π。对应的响应时间仅有几十微妙(以激励频率为10khz的传感器为例，次级滞后初级的时间仅为50μs)，与响应时间为毫秒级的传感器响应时间相比，基本上可以忽略不计。因此，影响传感器输出响应时间的因素主要来自电路的整流、滤波、放大等环节。如图4所示，可预先把传感器的探测拉杆3放置在满量程位置5，这相当于传感器的探测拉杆以极快的速度由零点位置4移动到满量程位置5，完全省去了拉杆的移动时间。随后，对初级线圈施加瞬时激励信号，并在传感器的信号输出端，用可存储示波器监测输出信号的变化，当输出信号达到满量程信号幅值的时刻，其滞后于瞬时激励信号起始时刻的时间长度，就是位移传感器的响应时间，由此便可准确测得位移传感器的真实响应时间。
32.实验过程：为准确测试位移传感器的响应时间，本实验选取的激励信号为正弦波信号，频率为10khz,信号幅值为3v。实验采用快速开关控制激励信号的输出，在初级线圈两端施加瞬时激励信号。用可存储示波器跟踪、记录开关接通后，位移传感器输出信号波形的完整变化过程。用示波器的1通道，跟踪、记录快速开关的同步闭合信号，用示波器的2通道，跟踪、记录位移传感器的输出信号。如图5所示，示波器的水平扫描速度为1ms/div，从示波器的1通道和2通道的运行曲线可以测量得出，传感器的输出信号滞后于激励信号的时间为2.8ms，即该位移传感器的响应时间为2.8ms。
33.本发明测量方法的发明以及推广应用，可为直线位移传感器响应时间的技术鉴定提供了准确、有效、便捷的测量方案，对推动直线位移传感器的产业发展和技术进步，必将发挥十分积极的作用。
34.可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。