專利名稱:耐蒸汽耐高溫差動變壓器位移傳感器的制作方法
本發(fā)明系非電量電測技術(shù)領(lǐng)域：
中一種測量位移的傳感器-差動變壓器式位移傳感器的改進(jìn)。
目前國內(nèi)外差動變壓器位移傳感器的結(jié)構(gòu)，初級和次級繞組都是十多層，甚至數(shù)十層，匝數(shù)在1000匝以上，高達(dá)五、六千匝，導(dǎo)線直徑細(xì)，一般為φ0.05～φ0.1mm，它的載波(勵磁)頻率一般在10KHZ以下，最高為25KHZ，它需用昂貴的玻莫合金屏蔽。它的缺點(diǎn)有使用的環(huán)境(液體)壓力不高，在50Kg/cm2以下;不能耐蒸汽蒸煑，易受50HZ工頻電干擾，連接電纜較短，在10米左右，測振的頻率響應(yīng)不高，在2KHZ左右，工作環(huán)境溫度為-40℃～+100℃;因此限制了它的用途。經(jīng)查閱專利(見附件1)未見到有關(guān)技術(shù)資料，近來查到英國專利GB2080632，83040843(83年第4期)(見附件2)，提出了高載頻的結(jié)構(gòu)，可以提高測振頻響，但它仍存在上述的其他缺點(diǎn)，并且它的次級殘余(零點(diǎn))電壓大，以致線性和精度不高，量程小，不能耐蒸汽耐高溫耐高液體壓力。
由于核廢料貯存、建筑材料及地震機(jī)制科研工作和蒸汽液面監(jiān)測等都需要使用一種耐蒸汽、耐高溫、耐高液體壓力的位移傳感器。
本發(fā)明提供了一種耐蒸汽、耐高溫、耐高液體壓力，寬頻響，能接長電纜遙測，高精度及高穩(wěn)定性的差動變壓器位移傳感器，用作靜態(tài)及動態(tài)位移測量。
本發(fā)明在差動變壓器初、次級繞組設(shè)計(jì)上擯棄了通常遵循的方法，采用了差動變壓器初、次級繞組與連接電纜的波阻抗匹配的方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提供的耐蒸汽、耐高溫、耐高液體壓力差動變壓器位移傳感器的實(shí)施例見圖1，它有一個陶瓷管制成的圓筒形線圈筒(1)，陶瓷棒制成的磁芯連桿(2)，圓柱形磁芯(3)，線圈筒上繞有初級繞組(4)和次級繞組(5)，線卷筒用聚酰亞胺薄膜包裹及扎緊，再套入陶瓷管制成的園筒形外殼中。磁芯處于線圈筒中能自由移動。它的次級輸出電壓與磁芯位移成正比。它的構(gòu)造是1.圓筒形線圈骨架與磁芯連桿均由耐高溫、耐蒸汽的可加工陶瓷管(棒)或高溫陶瓷管制成。
2.它的初級和次級繞組為七段式結(jié)構(gòu)圖1為結(jié)構(gòu)圖，圖2為初、次級繞組纏繞圖，圖3為初、次級連接電路圖。
將初級(一個)分成相等的三段，(圖2中，2、4、6段)次級(二個)分成相等的四段(圖2中的1、3、5、7段)。在靜態(tài)位移測量時，初級的纏繞方向與兩個次級的纏繞方向相同(也可相反)，但兩個次級繞組的纏繞方向是相同的，即接成串接，電路如圖3。為了提高抗干擾能力，用大訊號電壓傳輸，因此將次級兩個繞組接成串接，次級每邊繞組是對稱的，它的輸出電壓較大，用對稱電纜傳輸，兩個次級繞組的差值，分別經(jīng)倍壓及相敏解調(diào)后，由負(fù)載電阻上取出;在動態(tài)位移測量時，則次級兩個繞組接成差接。
初級匝數(shù)與每個次級匝數(shù)比取1∶1(由于初級段數(shù)為3段，次級段數(shù)為4段，因此初級總匝數(shù)與每個次級繞組的總匝數(shù)，兩者可相差1匝)，初級與次級的線徑相同。
初級繞組的中間一段繞在陶瓷管的中部，初級繞組和次級繞組每段之間互相間隔纏繞，交替配置在陶瓷管上，使初級的勵磁磁場在陶瓷管上能均勻分布，增加線性范圍，初級及次級的每段，其匝數(shù)分別相等，長度也分別相同，使次級輸出殘余電壓最小。
3.初級繞組與次級繞組都是單層，每個繞組均為平繞，使初、次級之間的分布電容近似于零。初、次級繞組和它們的引出線之間都沒有焊接點(diǎn)，初級繞組和每個次級繞組和它們的引出線都分別由一根完整的漆包銅導(dǎo)線繞成。
4.初級與次級繞組都用直徑(φ0.71～φ0.1mm)的高強(qiáng)度(或聚酰亞胺)漆包銅導(dǎo)線繞成，比傳統(tǒng)的及英國專利GB2080632粗幾倍，它們的匝數(shù)僅數(shù)十匝(在大位移時則可達(dá)數(shù)百匝)，比傳統(tǒng)的及上述英國專利少幾倍，甚至少100倍，使它們的電阻值很小，近似于零(初級約為0.2～1Ω，每個次級約為0.2～1Ω)容易繞制;因?qū)Ь€直徑粗，機(jī)械強(qiáng)度就高，因電阻值近似于零，熱穩(wěn)定性就好;由于電阻值近似于零，在50HZ工頻電干擾時、等于將電纜短路，因此不易受50HZ工頻電干擾，繞組不需用昂貴的玻莫合金屏蔽罩，并且初、次級繞組的漆包銅導(dǎo)線比傳統(tǒng)的少很多，降低了生產(chǎn)成本。
5.初級和次級繞組的每匝之間留有間隔相等的空隙△d(0.2～1mm)，避免繞組短路，并使其具有絕緣性能和散熱。
6.初、次級引出線與線圈之間用云母片或聚酰亞胺薄膜絕緣，初、次級引出線需與線圈纏繞方向垂直地引出。每根初、次級引出線在高溫時套上小陶瓷管，在+300℃以下時套上聚酰亞胺套管，在+200℃以下時套上聚四氟乙烯套管絕緣。
7.磁芯由園柱形紫銅管、黃銅棒或玻莫合金迭片制成，嵌入連桿一端的槽中。磁芯能在線圈骨架中自由移動。
8.磁芯的長度有兩種(1)用短磁芯時，磁芯長度等于線圈長度的0.25～0.8，在繞組為七段式及三段式時使用，線性較好;(2)在長磁芯時，磁芯長等于線卷長度的0.9～1.3，在繞組為二段式時使用，量程較大，但二段式的也可用短磁芯。
9.初級繞組與每個次級繞組的匝數(shù)比取1∶1，使與電纜波阻抗匹配，則連接電纜較長;初級與每個次級繞組的匝數(shù)比也可取1∶2或其他數(shù)值，則次級匝數(shù)比初級多，次級選用比初級細(xì)的銅導(dǎo)線，次級輸出電壓增大，輸出靈敏度增高，但連接電纜較短。
10.上述制成的初、次級繞組用聚酰亞胺薄膜包裹及扎緊，再套入陶瓷管制成的園筒形外殼中。
11.初級與電纜及振蕩器輸出端均阻抗匹配，由穩(wěn)定的振蕩器供給200KHZ(可為50KHZ至2MHZ)的高載頻電壓勵磁，此電壓在3伏(有效值)以上，初級電壓愈高，次級輸出電壓愈大。
12.除了上述七段式外，結(jié)構(gòu)尙有三段式(圖4)和兩段式(圖5)制造方法與七段式相同。
13.在環(huán)境溫度+120℃以下時，線圈筒、連桿、外殼用聚砜棒(管)等絕緣材料制成，初、次級的匝與匝之間不留空隙，都緊靠平繞;磁芯為鐵氧體;外殼亦可用不銹鋼制成。
差動變壓器位移傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)有三種形式1.連桿式。如圖1所式，外殼固定在某一支點(diǎn)上，它沒有彈簧，連桿經(jīng)過螺釘與被測物相連。
2.頂針式。連桿上套有彈簧，連桿經(jīng)過彈簧頂在被測物上，如千分表那樣，適用于靜態(tài)位移測量。
3.應(yīng)變計(jì)式。適用于埋入大壩、路基、建筑物內(nèi)等進(jìn)行測量。
本發(fā)明提供的差動變壓器位移傳感器的工作環(huán)境溫度范圍很寬，根據(jù)差動變壓器線圈骨架、連桿及外殼使用的材料不同，其使用的環(huán)境溫度也不同，它有1.用陶瓷管(或棒)+700℃～-50℃;量程±1、±3、±10mm;線性0.5%～2%;環(huán)境(液體中)壓力500Kg/cm2。
2.用陶瓷管，線圈繞組用膠水密封。
+300℃～-50℃;耐蒸汽;環(huán)境(液體中)壓力1000Kg/cm2;量程±1、±3、±10mm;線性0.3%～1%。
3.用聚四氟乙烯管或聚砜管(外殼亦可用不銹鋼)。
+120℃～-50℃，耐蒸汽，環(huán)境(液體中)壓力1400Kg/cm2。
量程有±1～±50mm，有十一種傳感器，系列化。次級殘余電壓小，最小可達(dá)0.2～0.5mV，為量程輸出電壓的0.01%;線性有0.1%、0.3%、0.5%、1%幾種;穩(wěn)定性±0.3%/4小時;溫度系數(shù)0.3%/10℃;一擋分度± 1/2000 ～± 1/4000 最小單位示值0.2微米;再適當(dāng)放大后，一擋分度± 1/10000 ，最小單位示值0.01微米。能接長導(dǎo)線，這些性能較英國專利GB2080632優(yōu)越。
再者本項(xiàng)發(fā)明的差動變壓器位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)還有1.次級對初級的電壓(或電流)的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)35%，所需的放大器的放大倍數(shù)比傳統(tǒng)的差動變壓器所需的放大倍數(shù)要小，次級(每邊)電壓放大35倍，即可得到0.2微米的精度，再適當(dāng)放大就可得到0.01微米的精度，一擋分度值達(dá)± 1/10000 ，即精度很高;2.繞組的匝數(shù)少，節(jié)省了銅線，導(dǎo)線直徑粗，容易繞制，繞制的成功率高達(dá)100%;3.連接電纜長達(dá)1500米;4.傳感器之間互換性能好;5.在動態(tài)測量時，測振頻響為0～20KHZ，頻響最寬，可用它制作壓力計(jì)或加速度計(jì);6.線圈(初、次級繞組)可以做得很短，線卷長度與全量程之比值達(dá)3∶1。
本發(fā)明所提供的差動變壓器有很高的精度和準(zhǔn)確度;機(jī)械強(qiáng)度高;熱穩(wěn)定性好;它克服了傳統(tǒng)的差動變壓器位移傳感器的載波頻率提高時，線性變壞，達(dá)不到要求的難關(guān)，克服了耐蒸汽、耐高溫及耐高液體壓力的難關(guān)，因其能耐蒸汽，更能防水防潮。它能廣泛地應(yīng)用到工業(yè)、交通、水電、礦山、航空、建筑、機(jī)械、地震、化工、軋鋼、核廢料貯存、核電站運(yùn)行等科研、生產(chǎn)和野外試驗(yàn)檢測中，并能用于自動控制配套中，能用它制造壓力計(jì)、加速度計(jì)、蒸汽液面計(jì)、軋鋼機(jī)監(jiān)測、荷重傳感器、電子秤、地殼深部位移(地震預(yù)報)、深海鉆井平臺變形監(jiān)測等，它擴(kuò)大了差動變壓器位移傳感器的用途，能提高測量儀器的水平。
權(quán)利要求
1.一種測量位移的差動變壓器式位移傳感器，本發(fā)明的特征是它主要由陶瓷圓筒形線圈骨架(1)、陶瓷制成的磁芯連桿(2)、磁芯(3)、初級繞組(4)、次級繞組(5)和陶瓷外殼構(gòu)成；結(jié)構(gòu)為七段式，初級和次級繞組都繞成單層；用直徑φ0.71～φ0.1mm的漆包銅導(dǎo)線平繞；引出線與繞組纏繞方向垂直地引出；初級和次級繞組的匝與匝之間有間隔相等的空隙(Δd)；磁芯由耐高溫的圓柱形紫銅管制成；初、次級繞組都分別與電纜的波阻抗ZL匹配。
2.根據(jù)權(quán)限1所述的傳感器，其特征在于線圈骨架、連桿、外殼所用的陶瓷管為可加工陶瓷或高溫陶瓷爐管。
3.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的傳感器，其特征在于繞組為七段式結(jié)構(gòu)
一個初級繞組分成相等的三段，二個次級繞組分成相等的四段;在靜態(tài)位移測量時，初、次級以相同的方向纏繞，即兩個次級繞組接成串接;在動態(tài)位移測量時則兩個次級繞組接成差接;初級繞組的中間一段配置在陶瓷管線卷骨架的中部，次級繞組的四段與剩下的兩段初級繞組交替地配置在陶瓷管上。
4.根據(jù)權(quán)項(xiàng)一所述的傳感器，其特征在于初級繞組和每個次級繞組匝數(shù)為數(shù)十匝(大位移時可達(dá)數(shù)百匝);初級與每個次級的匝數(shù)比取1∶1;初級繞組的每段匝數(shù)和長度要彼此相等，次級繞組的每段匝數(shù)與長度也要彼此相等，使次級的殘余電壓最小，它工作在高載頻下。
5.根據(jù)權(quán)限4所述的傳感器，其特征在于初級繞組與每個次級繞組的匝數(shù)比亦可取1∶2或其他數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的傳感器，其特征在于初級與次級繞組的匝與匝之間有間隔相等的絕緣及散熱的空隙Δd(0.2～1mm)。
7.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的傳感器，其特征在于初、次級繞組引出線與繞阻之間用云母片或聚酰亞胺薄膜絕緣;每根引出線在高溫時套小瓷管絕緣，在+300℃以下時套上聚酰亞胺套管絕緣，在+200℃以下，時套上聚四氟乙烯套管絕緣。
8.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的傳感器，其特征在于，初、次級繞組與它們的引出線之間都沒有焊接點(diǎn)，均用一根完整的高強(qiáng)度(或聚酰亞胺)漆包銅導(dǎo)線繞成。
9.根據(jù)權(quán)項(xiàng)4、6、7、8所述的傳感器，其特征在于制成的線圈(初、次級繞組)用聚酰亞胺薄膜包裹及扎緊，再套入陶瓷管制成的外殼中。
10.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的傳感器，其特征在于短磁芯時它的長度為線圈長度的0.25～0.8;長磁芯時，磁芯長度為線圈長度的0.9～1.3。
11.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的傳感器，其特征在于，初、次級的繞組結(jié)構(gòu)尙有三段式及兩段式;除初、次級繞組分段不同外，其他構(gòu)造同七段式。
12.根據(jù)權(quán)限1所述的傳感器，其特征在于+120℃以下環(huán)境溫度使用時，初、次級繞組匝與匝之間和初級次級相鄰之間都不留空隙，即緊靠平繞;線圈骨架、連桿、外殼用聚砜棒等絕緣材料制成;磁芯為鐵氧體;外殼亦可用不銹鋼制成。
專利摘要
一種耐蒸汽、耐高溫、耐高液體壓力的差動變壓器位移傳感器，它主要由陶瓷管制成的線圈筒、外殼、連桿和瓷芯、初級及次級繞組構(gòu)成；初級繞組和次級繞組都是單層，用粗高強(qiáng)度漆包銅導(dǎo)線平繞；匝與匝之間留有間隙相等的空隙；它能穩(wěn)定地工作在高載頻下，用以測定動態(tài)或靜態(tài)位移。它的工作溫度范圍很寬，機(jī)械強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性高，頻響寬，抗干擾，能接長導(dǎo)線遙測，克服了傳統(tǒng)的差動變壓器位移傳感器的局限性，擴(kuò)大了它的用途，提高了位移測量的水平。
文檔編號H01F19/00GK85101004SQ85101004
公開日1986年8月27日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者李楚 申請人:中國科學(xué)院武漢巖體土力學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan