一种差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法

1.本发明属于电容位移传感测量技术领域，更具体地，涉及一种差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法。


背景技术：

2.高精度电容位移传感器作为一种传统非接触式传感器，主要应用于测量电容变化的惯性测量装置中，如加速度计等。高精度电容位移传感器主要由电容桥、前端电路、调制解调及低通滤波电路等构成。目前基于变压器桥路的高精度电容位移传感器已广泛应用于空间静电加速度计和惯性传感器中。在空间惯性传感器中，电容位移传感电路测量出探头中检验质量位置的变动，通过反馈电路控制，将探头中的检验质量控制在零位。
3.变压器桥路将电容信号转化为电压信号，经放大电路传递给后级电路，其两个差分的初级线圈在理想情况下应是完全对称的，但现实中无法实现，因此初级线圈的不对称会产生虚假的位移信号。同时，对于变压器设计和制作，由于线圈绕制方式、磁芯的不均匀、灌胶工艺等因素，初级线圈产生不对称性。
4.因此，需要对差分变压器的不对称性进行测量，来衡量由于初级线圈不对称性导致的传感偏移的大小，为变压器设计与制作工艺提供参考。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法，能对差分变压器中初级线圈不对称耦合因子进行测量。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法，所述差分变压器包括两个初级线圈l1、l2和一次级线圈l3，所述方法包括如下步骤：
7.(1)将两个所述初级线圈l1、l2以并联的方式连接；
8.(2)利用交流载波源连接外接电阻r1后，分别向两个初级线圈l1、l2中输入交流载波信号v
p
；
9.(3)将次级线圈l3感应出的含有初级线圈不对称耦合因子的电压信号v
l3
进行放大，得到含有不对称耦合因子的电压信号v
sout
；
10.(4)将所述电压信号v
sout
依次进行交流放大、解调和滤波，得到直流电压信号vd；
11.(5)获取并根据所述放大、交流放大、解调和滤波参数，得到不对称耦合因子与直流电压信号vd的传递函数，并根据步骤(4)得到的直流电压信号vd计算得到不对称耦合因子。
12.本发明提供的差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法，通过将差分变压器中初级线圈不对称耦合因子经高频调制转化到次级线圈输出中，经放大、交流放大、解调、滤波等处理后，转换为稳定的直流电压信号vd，根据不对称耦合因子与直流电压信号vd的传递函数，即可计算出差分变压器不对称耦合因子的大小，实现对差分变压器不对称耦
合因子的测量。且还可通过对放大、交流放大的参数进行设计，提高增益，将差分变压器不对称耦合因子的小信号转化和放大，提高不对称耦合因子的测量分辨率，从而实现高精度测量。
13.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
14.(6)调节所述交流载波源的频率，获取并根据交流载波信号在不同频率时的直流电压信号vd，得到不对称耦合因子随频率的变化情况。
15.在其中一个实施例中，所述交流载波信号v
p
为从10khz到200khz的交流电压信号。
16.在其中一个实施例中，步骤(3)中，将所述电压信号v
l3
通过放大电路进行放大，其中，
17.所述放大电路包括仪表放大器u1、增益电阻rg和隔直电容c1，所述仪表放大器u1的反相输入端通过隔直电容c1与所述次级线圈l3的同名端相连，所述仪表放大器u1的同相输入端和所述次级线圈l3的异名端接地，所述增益电阻rg与所述仪表放大器u1的增益电阻设置端相连。
18.在其中一个实施例中，步骤(4)中，将所述电压信号v
sout
通过交流放大电路进行交流放大，其中，
19.所述交流放大电路包括电容c2、电阻r2、电阻r3和运算放大器u2，所述运算放大器u2的反相输入端分别与所述电阻r2的一端、所述电阻r3的一端相连，所述电阻r2的另一端通过所述电容c2与所述仪表放大器u1的输出端相连，所述电阻r3的另一端与所述运算放大器u2的输出端相连，所述运算放大器u2的正相输入端接地。
20.在其中一个实施例中，步骤(4)中，将交流放大后的电压信号v
sout
通过解调电路进行解调，所述解调电路采用模拟开关，所述模拟开关的输入端与所述运算放大器u2的输出端相连。
21.在其中一个实施例中，步骤(4)中，将交流放大、解调后的电压信号v
sout
通过低通滤波电路进行滤波，其中，
22.所述低通滤波电路包括运算放大器u3、电容c3～c4和电阻r4～r7，所述运算放大器u3的反相输入端分别与电阻r4的一端、电阻r5的一端、电容c3的一端相连，电阻r4的另一端与所述模拟开关的一输出端相连；运算放大器u3的正相输入端分别与电阻r6的一端、电阻r7的一端、电容c4的一端相连，电阻r6的一端与所述模拟开关的另一输出端相连，电阻r7的另一端和电容c4的另一端接地；所述运算放大器u3的输出端分别与电阻r5的另一端、电容c3的另一端相连。
23.第二方面，本发明提供了一种电容位移传感测量方法，包括上述所述的高精度并联测量方法。
24.本发明提供的电容位移传感测量方法，考虑到实际高精度电容位移传感器中差分变压器中两个初级线圈的不对称性，通过初级线圈的并联连接方式和不同频率的交流载波信号v
p
，将初级线圈不对称耦合因子转化到次级线圈输出电压中，通过测量不同频率的交流载波信号v
p
在不同频率时的直流电压信号vd，可得到不对称耦合因子随频率的变化情况，根据该变化情况可衡量由于初级线圈不对称性导致的传感偏移的大小，实现对不同惯性测量装置实现位移的准确测量。
附图说明
25.图1是一实施例提供的差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法的流程图；
26.图2是一实施例提供的放大电路的电路原理图；
27.图3是一实施例提供的交流放大电路的电路原理图；
28.图4是图3提供的交流放大电路的传递函数图；
29.图5是一实施例提供的低通滤波电路的电路原理图；
30.图6是图5提供的低通滤波电路的传递函数图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.针对传统电容位移检测电路中两个初级线圈不对称性导致其产生虚假位移信号的问题，本发明提供了一种差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法，如图1所示，包括步骤s10～s50，详述如下：
33.s10，将差分变压器中的两个初级线圈l1、l2以并联的方式连接。
34.s20，利用交流载波源的连接外接电阻r1后，分别向两个初级线圈l1、l2中输入交流载波信号v
p
。
35.具体地，交流载波源与差分变压器的连接关系为：交流载波源分别与其中一初级线圈l1的同名端、另一初级线圈l2的异名端相连，初级线圈l1的异名端与初级线圈l2的同名端接地。
36.在本实施例中当两个初级线圈l1、l2存在不对称时，交流载波信号v
p
经外接电阻r1和初级线圈分压，以及初级线圈l1、l2与次级线圈l3的互感后，会在次级线圈l3中感应出含有初级线圈不对称耦合因子的电压信号v
l3
，根据分压和互感电压计算原理可得：
[0037][0038]
式中，l0表示初级线圈l1和l2电感的共模值；(k
1-k2)表示差分变压器的不对称耦合因子，其中，k1表示差分变压器中初级线圈l1与次级线圈l3的耦合因子，α2表示差分变压器初级线圈l2与次级线圈l3的耦合因子；v
p
是关于频率的表达式，s表示角频率在复频域的表达，可写为s＝jω；l3表示次级线圈l3的电感值；r1表示外接电阻r1的阻值。
[0039]
由上述表达式可知，电压信号v
l3
是与交流载波信号v
p
同频率的交流电压信号，而交流载波信号v
p
是与频率f相关的函数，则电压信号v
l3
是与不对称耦合因子(k
1-k2)和频率f相关的函数。
[0040]
s30，将次级线圈l3感应出的含有不对称耦合因子的电压信号v
l3
进行放大，得到含有不对称耦合因子的电压信号v
sout
。
[0041]
在步骤s30中，由于次级线圈感应出的电压信号v
l3
在微伏量级，为便于后续对电压
信号v
l3
的观测，需将得到的电压信号v
l3
进行放大处理得到含有不对称耦合因子的电压信号v
sout
。
[0042]
s40，将电压信号v
sout
依次进行交流放大、解调和滤波，得到直流电压信号vd。
[0043]
s50，获取并根据放大、交流放大、解调和滤波参数，得到不对称耦合因子与直流电压信号vd的传递函数，并根据步骤s40得到的直流电压信号vd计算得到不对称耦合因子。
[0044]
在步骤s40和s50中，为得到更加直观稳定的测量结果，可将放大处理得到的电压信号v
sout
进行再次放大，然后再解调为直流电压信号，再通过滤除高频信号后得到低频含有差分变压器不对称耦合因子的直流电压信号vd。然后再根据放大、交流放大、解调和滤波参数可以得到不对称耦合因子与直流电压信号vd的传递函数，最后通过测量直流电压信号vd与该传递函数的关系，即可计算得到初级线圈不对称耦合因子(k
1-k2)。
[0045]
为进一步提高不对称耦合因子的测量分辨率，实现高精度测量，还可对放大、交流放大、解调和滤波参数进行相应调整，以提高增益，从而将差分变压器不对称耦合因子的小信号转化和放大，从而实现高精度测量。
[0046]
本实施例提供的差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法，通过将差分变压器初级线圈不对称耦合因子经高频调制转化到次级线圈输出中，经放大、交流放大、解调、滤波等处理后，转换为稳定的直流电压信号vd，根据不对称耦合因子与直流电压信号vd的传递函数，即可计算出差分变压器不对称耦合因子的大小，实现对差分变压器不对称耦合因子的测量。且还可通过对放大、交流放大的参数进行设计，提高增益，将差分变压器不对称耦合因子的小信号转化和放大，提高不对称耦合因子的测量分辨率，从而实现高精度测量。
[0047]
在一个实施例中，考虑到线圈电感值与频率有关，为更准确地实现对变压器不对称耦合因子的测量，本发明提高的高精度并联测量方法还可包括步骤s60，详述如下：
[0048]
s60，调节交流载波源的频率，获取并根据交流载波信号在不同频率时的直流电压信号vd，得到不对称耦合因子随频率的变化情况。
[0049]
在步骤s60中，可通过调节交流载波信号v
p
的频率可以测量出不同频率下直流电压信号vd的大小，进而测量出差分变压器不对称耦合因子随频率的变化，便于后续利用差分变压器对不同惯性测量装置进行电容位移测量提供可靠参考。
[0050]
需要说明的是，差分变压器一般应用于1khz至1mhz范围内，在高于自谐振频率时，线圈对外表现为电容特性，不能正常工作。一般而言mh量级的差分变压器，在10khz到200khz范围内，线圈表现为一个平稳的电感状态，在高于200khz之后，由于分布电容的存在，导致单个线圈内电感与分布电容谐振而不能正常工作，因此本实施例提供的交流载波信号v
p
的频率可设置为10khz到200khz。
[0051]
在一个实施例中，如图2所示，步骤s30中，可采用放大电路对电压信号v
l3
进行放大，该放大电路包括仪表放大器u1、增益电阻rg和隔直电容c1。
[0052]
具体地，本实施例提供的放大电路与差分变压器的连接关系为：仪表放大器u1的反相输入端通过隔直电容c1与次级线圈l3的同名端相连，仪表放大器u1的同相输入端和次级线圈l3的异名端接地，增益电阻rg与仪表放大器u1的增益电阻设置端相连。
[0053]
由于次级线圈l3感应出的电压信号v
l3
大小在微伏量级，因此后续可接隔直电容c1后，再接仪表放大器u1放大，得到含有不对称耦合因子的电压信号v
sout
，
式中，g表示仪表放大器的增益，由增益电阻rg决定，仪表放大器u1增益与增益电阻rg的关系满足其中ri为仪表放大器内部的反馈电阻，与所选的仪表放大器u1有关，可从数据手册中得知反馈电阻大小。
[0054]
进一步地，为得到更加直观稳定的测量结果，可在仪表放大器u1的输出端再接入一级交流放大电路进行进一步放大后，经过解调电路将交流放大后的电压信号v
sout
解调为直流电压信号，然后再经过低通滤波电路滤除高频信号后得到低频含有差分变压器不对称耦合因子的直流电压信号vd。然后再根据各电路参数可以得到不对称耦合因子与直流电压信号vd的传递函数，因此，通过测量直流电压信号vd即可计算得到初级线圈不对称耦合因子。
[0055]
在一个实施例中，参见图3，交流放大电路包括电容c2、电阻r2、电阻r3和运算放大器u2，运算放大器u2的反相输入端分别与电阻r2的一端、电阻r3的一端相连，电阻r2的另一端通过电容c2与放大电路(仪表放大器u1)的输出端相连，电阻r3的另一端与运算放大器u2的输出端相连，运算放大器u2的正相输入端接地。
[0056]
在本实施例中，电容c2用于隔离直流信号；电阻r2、r3决定该交流放大电路的放大倍数，为满足交流载波信号v
p
的频率为10khz到200khz，该交流放大电路是一个高通放大电路，进一步放大输出信号v
sout
为v
out2
。以本实施例提供的交流放大电路中电阻r2和r3阻值均为r3，电容c3～c4容值均为c3为例，则该电路的传递函数为如图4所示。
[0057]
在一个实施例中，解调电路是将交流放大电路的输出信号v
out2
与同频同相的方波信号相乘得到中心频带为0和正负对称的二倍频信号，其电路设计可采用模拟开关来实现半周期信号的提取，其中，模拟开关的输入端与运算放大器u2的输出端相连。
[0058]
在一个实施例中，参见图5，低通滤波电路包括运算放大器u3、电容c3～c4和电阻r4～r7，运算放大器u3的反相输入端分别与电阻r4的一端、电阻r5的一端、电容c3的一端相连，电阻r4的另一端与上述模拟开关的一输出端相连；运算放大器u3的正相输入端分别与电阻r6的一端、电阻r7的一端、电容c4的一端相连，电阻r6的一端与上述模拟开关的另一输出端相连，电阻r7的另一端和电容c4的另一端接地；运算放大器u3的输出端分别与电阻r5的另一端、电容c3的另一端相连。
[0059]
在本实施例中，将上述交流放大电路输出信号v
out2
经解调电路和低通滤波电路后得到低频信号，通过采集低通滤波电路输出的直流电压信号vd，除以电路设计的关于不对称耦合因子的传递函数，即可得到差分变压器不对称耦合因子的大小。以本实施例提供的低通滤波电路中电阻r4～r7阻值均为r4，电容c3～c4容值均为c4为例，则该电路的传递函数为如图6所示。
[0060]
本实施例提供的差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法，通过将差分变压器初级线圈不对称耦合因子经高频调制转化到次级线圈输出中，经前端放大电路和交
流放大电路放大，再经解调电路和低通滤波电路转换为稳定的直流信号，除以电路设计的传递函数，即可计算出差分变压器不对称耦合因子的大小。且还可通过对前端放大电路和交流放大电路的参数进行设计，提高增益，将差分变压器不对称耦合因子的小信号转化和放大，提高不对称耦合因子的测量分辨率，从而实现高精度测量。
[0061]
本发明还提供了一种电容位移传感测量方法，包括上述差分变压器不对称耦合因子的高精度并联测量方法。
[0062]
本实施例提供的电容位移传感测量方法，考虑到实际高精度电容位移传感器中差分变压器中两个初级线圈的不对称性，通过初级线圈的并联连接方式和不同频率的交流载波信号v
p
，将初级线圈不对称耦合因子转化到次级线圈输出电压中，通过测量不同频率的交流载波信号v
p
在不同频率时的直流电压信号vd，可得到不对称耦合因子随频率的变化情况，根据该变化情况可衡量由于初级线圈不对称性导致的传感偏移的大小，实现对不同惯性测量装置实现位移的准确测量。
[0063]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。