矿用负压传感器的研究与设计

摘要：研究一种矿用负压传感器，煤矿负压测量是煤矿安全监测系统主要监测数据之一，从传感器的组成及其作用分析开始，详细分析差压变压器式传感器用于风压测量的可实现性，提出了基于差动变压器式传感器原理测量负压设计思路。

关键词：差压变换器 压力 位移 监控 传感器

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）11-0073-02

矿井的风压是矿井通风的一个重要参数，通过对风压的连续监测，可为矿井的通风管理、风量的调配等通风安全工作及时提供必要的数据。煤矿中还需监测瓦斯抽放泵的工作压力、井下主要风门两端的压力等，这时均需使用负压传感器。

1 负压传感器的原理与特性

传感器是指能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的元件或装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，其组成框图如图1。

敏感元件是指传感器中能够直接感受被测量的变化，并输出与被测量有确定关系的某一物理量的元件；转换元件把敏感元件的输入转换为电信号输出。测量转换电路能对传感器输出的信号进行放大、运算调制。

2 差动变压器式传感器组成及原理

差动变压器式传感器主要由一个线圈绝缘框架和一个衔铁组成，在线圈框架上绕有一组初级绕组和两组次级绕组Wa1、Wa2，两组次级绕组反向串联组成差动形式，如图。在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），其等效电路如图3所示。

当初级绕组加入激励电源后，其次级绕组中便产生感应电动势E2a、和E2b，如果保证工艺上变压器结构完全对称，当衔铁处于中间位置时，互感系数M1=M2。根据电磁感应原理，E2a=E2b，由于两组次级绕组反向串联，所以U2=E2a-E2b=0。

当活动衔铁手里向上移动时，由于磁阻的影响，线圈Wa1内穿过的磁通比线圈Wa2内穿过的磁通多些，所以互感系数也大些，即M1>M2，因此感应电势E2a增大，E2b减小，反之感应电势E2a减小，E2b增大，因为U2= E2a-E2b，所以当衔铁位移X变化时，输出电压U2也随X变化，实际上当衔铁移动到中心位置时，差动变压器式传感器的输出电压并不等于零，这就是零点残余电压，它的存在造成实际特性曲线与理论特性不完全一致。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。

3 差压变压器式负压传感器的设计

3.1 差压变压器式负压传感器的设计原理

差压变压器式负压传感器首先将压力通过差压膜盒转换成与压力成正比的轴向位移，然后带动差动变压器的移动铁芯偏离中心位置，引起差动变压器的次级有电压信号输出，电压信号的大小与压力（差压）成正比，将电压信号整流放大后，一路送显示电路进行显示；一路送V/I转换电路，输出电流信号；一路送V/F转换电路，输出频率信号。

脉冲信号发生器输出频率约为1.5kHz、幅度为5.8VP-P的脉冲电压，供给差动变压器的初级做激励电源。

铁芯的位移由弹性元件——差压膜盒产生，差动变压器的活动铁芯与膜盒的中间硬芯部分连接。当压力发生变化时，膜盒产生一个轴向的位移，其位移量的大小正比于外加压力。这样当压力发生变化时，引起差动变压器的次级电压变化，从而完成了压力一电量的转换过程。

差压变换器是传感器的核心部分，差压膜盒与差动变压器封装在一个容器内，留出两个压力输入孔，以传递外部的压力。由正压与负压输入口加入压力时，差压膜盒则产生相应的轴向位移。

膜盒的灵敏度为：膜盒轴向位移（mm）/膜盒所承受的压力（Pa）=

差动变压器的灵敏度为：满量程输出（V）/线性行程（mm）=

总的灵敏度为：

3.2 零点残余电压的调整

差动变压器次级绕组输出的信号均为交流信号，如两信号直接相减，则必然会出现一个残余电压，为此采用了先分别经桥式全波整流滤波处理为直流信号之后再相减的方法。

4 结语

差压变压器式负压传感器可以测量的压力范围为0～500Pa，测量精度高、结构简单、性能可靠，响应迅速，比较适合与在煤矿井下特殊的工作环境下使用。差压变压器式负压传感器再设计时注意要尽量保证变压器工艺上结构完全对称。

参考文献

[1]杨世兴，郭秀才.监测监控系统原理与实用设计[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]魏良，王建国，周承盛.自动检测技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[3]穆亚辉.传感器与检测技术[M].长沙：国防科技大学出版社，2007.