ANSYS在高校《材料力学》教学中的应用

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岱广
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1 制冷机用位移传感器设计与研究康建飞中国科学院上海技术物理研究所 [ 摘要 ] 制冷机控制系统以及压缩机冷头 PV 功的测定都需要对活塞位置进行测量, 一般采用差动变压器式位移传感器航天领域中使用的制冷机对于空间尺寸有很大的限制, 而位移传感器的长度对压缩机封装体积有一定的影响, 所以要求位移传感器以较大的行程长度比得到较好的线性度随着大冷量制冷机的发展, 压缩机行程也会不断增大, 因此研制出较大行程长度比准确可靠的位移传感器具有非常重要的意义本文利用计算机辅助软件现在已用于 LVDT 的设计, 并且凭借其耗时短计算准确的优点得到了广泛的应用设计能应用于压缩机的体积小精度高的位移传感器展开工作, 最终目标定为设计出具有 ±7mm 量程非线性误差小于 1% 外形长度小于 30mm 的 LVDT 位移传感器及其配套的调理电路 [ 关键词 ] 位移传感器线性度 [ Abstract ] With the rapid development of transducers, now it s widely used in everywhere. We usually use LVDT (Linear Variable Differential Transducer)to measure the position of the cryocooler s piston, the statelite are strictly required in space, so we hope toshorten the used LVDT. We established reasonable electromagnetic simulation model of LVDT using Maxwell, the simulation results can reflect static characteristics such as the sensitivity and the linearity of the LVDT.Finally we design a new type LVDT according to the simulation results, compare with the results of experiments,maxwell can effectively simulate the real product, these methods significantly improve the design efficiency and linearity in the actual project. [ Keyword ] Linear Variable Differential Transducer, design,simulation, Maxwell

1 前言制冷机控制系统以及压缩机冷头 PV 功的测定都需要对活塞位置进行测量, 一般采用差动变压器式位移传感器航天领域中使用的制冷机对于空间尺寸有很大的限制, 而位移传感器的长度对压缩机封装体积有一定的影响, 所以要求位移传感器以较大的行程长度比得到较好的线性度随着大冷量制冷机的发展, 压缩机行程也会不断增大, 因此研制出较大行程长度比准确可靠的位移传感器具有非常重要的意义 2 LVDT

2 1 前言制冷机控制系统以及压缩机冷头 PV 功的测定都需要对活塞位置进行测量, 一般采用差动变压器式位移传感器航天领域中使用的制冷机对于空间尺寸有很大的限制, 而位移传感器的长度对压缩机封装体积有一定的影响, 所以要求位移传感器以较大的行程长度比得到较好的线性度随着大冷量制冷机的发展, 压缩机行程也会不断增大, 因此研制出较大行程长度比准确可靠的位移传感器具有非常重要的意义 2 LVDT 相关背景 LVDT 和一般变压器有本质上的区别, 变压器为强电磁耦合, 次级电压在满负载和空载差别非常大而 LVDT 为弱电磁耦合, 要求负载阻抗很大, 次级产生的感应电流很小, 由此产生的附加磁场不干扰激励磁场分布, 这是与普通变压器完全不同的概念, 表现出了 LVDT 的独特性质 2.1 国外研究进展 1940 年 G. B. Hoadley 在美国申请的专利当中提出把线性差动变压器作为一个位移传感器使用差动变压器式位移传感器以其寿命长精度高工作可靠非接触式测量等优点而被广泛应用于航空航天伺服作动系统以及机械系统的直线位移测量当中在随后的应用中为了改善传感器的线性度研究人员在二段式和三段式的基础上又提出了四段式和五段式结构的 LVDT 在 1989 年, 美国的 SURESH C. SAXENA 早在 1989 就提出抛弃简单的差动接法 ( 如下图 a 所示 ), 而是采取将两个次级线圈同时正接和反接 ( 如下图 b 所示 ), 同时得到 ee_1 ee_2 和 ee_1+ee_2, 采用 (ee_1 ee_2)/(ee_1+ee_2 ) 作为输出的的方法改善了 LVDT 的线性度和温度适应特性随着集成芯片的发展美国 ADI 公司研制出了专门用于 LVDT 的信号解调芯片 AD598 和 AD698, 将解调电路集成于芯片当中, 并可以提供激励电源, 无需调节, 通过改变部分外接元件参数的方法完成与 LVDT 的匹配, 最终将 LVDT 的次级感应电压以 (ee_11 ee_22)/(ee_11+ee_22 ) 比例输出, 缩小了调理电路的体积 2.2 国内研究进展 2009 年西北工业大学和北京曙光电机厂对 LVDT 作出改进, 将传统二段式结构的次级线圈由矩形分布改为三角形分布, 通过理论证明了改进结构在螺线管内磁场均匀分布时输出电压与位移呈线性关系, 并且制作了样机进行了实验验证

3 在浙江大学西安电子科技大学北京精密机电控制设备研究所的研究当中都采用 Maxwell 软件对 LVDT 进行了电磁仿真仿真分析, 并且通过实验验证了该软件的合理可靠性, 该仿真分析可以有效的模拟真实产品, 显著提高实际工程中传感器的设计效率 2.3 LVDT 前景展望位移传感器应用于各行各业, 在一些特殊的使用场合对空间要求很高, 要更好的利用空间就需要位移传感器体积越小越好小型化集成化和智能化是位移传感器发展的必然趋势 LVDT 本身的结构形式是影响其输出特性的决定性因素 ; 计算机辅助软件现在已用于 LVDT 的设计, 并且凭借其耗时短计算准确的优点得到了广泛的应用从上述几点出发, 围绕设计能应用于压缩机的体积小精度高的位移传感器展开工作, 最终目标定为设计出具有 ±7mm 量程非线性误差小于 1% 外形长度小于 30mm 的 LVDT 位移传感器及其配套的调理电路 3 技术路线和实施方案 3.1 技术路线利用 Maxwell 软件强大的数值模拟功能, 对位移传感器内部电磁进行数值模拟, 优化 : 1 两线圈电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称 2 电源电压中含有高次谐波 3 传感器工作在磁化曲线的非线性段解决办法 :1 尽可能保证骨架几何尺寸线圈电气参数磁路对称 2 采用补偿线路减小零点残余电压

4 差动变压器激励频率对其灵敏度线性度及衔铁运动的可测信号频率等均有影响, 因此选择合适激励频率对提高差动变压器性能有重要作用, 我们着重关注传感器结构参数确定后的线性度, 可通过仿真分析频率在一定范围内变化时对传感器线性度的影响, 寻找其最佳激励频率 3.2 数值模拟实施方案 1 将所建模型各部分几何量作参数化处理, 以便改动以及研究其变化对输出特性所产生的的影响 2 研究各部件结构参数在一定范围内变化对输出特性产生的影响, 包括 : (1) 铁芯直径长度 (2) 初级线圈长度匝数 (3) 次级线圈分布结构匝数 (4) 屏蔽外壳结构研究以上参数变化对所要求设计 ±7mm 量程范围内磁感强度及互感的影响, 再由磁感应强度以及互感与 LVDT 输出的关系, 讨论 LVDT 的各物理参数变化对其主要静态特性线性度灵敏度零点残余电压的影响 3 改变激励信号的幅值频率, 再分别进行仿真分析, 将仿真结果进行比较, 分析激励参数的变化对磁感应强度以及互感的影响, 得到激励参数与 LVDT 静态特性的关系 4 绘制出各个参数所引起输出特性变化的曲线, 根据仿真结果对初步选定的结构参数进行优化 5 对优化后的结构进行仿真分析, 与所制作的样机实验结果进行对比 3.3 Maxwell 结果展示通过对在 Maxwell 中建立不同结构的位移传感器模型并对其进行分析, 我们逐步得到了线性度好结构合理的位移传感器模型 :

5 位移传感器线性度测量仿真数据实验数据位移 /mm 电压 /V 位移 /mm 电压 /V

6 从上面的结果来, 利用 Maxwell 软件对位移传感器的模拟和优化是十分有效地一种方法, 这种方法不但能够得到想要的结果, 还能大大缩短研发周期减少研发成本, 数值模拟技术在不久的将来, 必将在电磁设备分析设计和优化中起到巨大的作用本文中所叙述的工作已经完成, 将产生 EI 检索论文一篇, 专利一项, 产生的设备将在不久的将来应用与祖国的航空航天事业 Maxwell 软件在这些工作中起到了巨大的作用 [ 参考文献 ] [1]. S. Soloman, Sensors in Flexible Manufacturing Systems, in Sensors Handbook, McGraw-Hill Professional, 2009, pp [2]. Herceg E E. Handbook of Measurement and Control: An authoritative treatise on the theory and application of the LVDT[M]. Schaevitz Engineering, [3]. 刘志才. LVDT 位移传感器数字信号处理算法及电路研究 [D]. 浙江大学, [4]. 马牧. 差动变压器的工作原理分析与设计 [J]. 工程与试验, 1979, 3: 001. [5]. 刘萍. 差动变压器式位移传感器参数化仿真及优化 [D]. 陕西 : 西安电子科技大学硕士论文, [6]. 任海燕, 李文璋, 朱廷伟, 等. 差动变压器式位移传感器的仿真建模研究 [J]. 宇航计测技术, 2013, 33(6): [7]. KILANI M, TAIFOUR S, AL-SHARIF L. Effect of Design Geometry on the Performance Characteristics of Linear Variable Differential Transformers[J]. Sensors and Transducers, 2013, 150(3): [8]. 杨相坤, 罗玲, 曾友华, 等. 改进型差动变压器式线位移传感器的分析研究 [J]. 机电一体化, 2009 (8): [9]. 刘吕亮, 石照耀, 张敏, 等. 电感位移传感器结构特性研究 [J]. 机电工程, 2014, 31(6): [10]. 刘钊, 许益民, 张伦威. 基于 Maxwell 的 LVDT 灵敏度分析 [J]. [11]. 孔宪光, 刘萍, 等. 差动变压器式位移传感器参数化仿真技术研究 [J]. 仪器仪表学报.2009 年 12 月, 第 30 卷, 第十二期. [12]. 刘国强, 赵凌志, 蒋继娅. Ansoft 工程电磁场有限元分析 [M]. 北京 : 电子工业出版社, 2005: [13]. 陈正想. 无矩线圈建模与分析研究 [J]. 水雷战与舰船防护, 2001(2):4-5.

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Microsoft Word - P SDFL series.DOC 片式铁氧体电感 SDFL 系列 Chip Ferrite Inductor SDFL Series Operating Temp. : -40 ~ +85 特征迭层独石结构高度可靠性体积小良好的磁屏蔽, 无交叉耦合无引线结构, 适合表面安装良好的可焊性和耐焊性适合于流焊和回流焊用途可用来抑制电子设备中的电磁干扰, 广泛的运用于通讯视频 / 音频计算机遥控器等领域 FEATURES