曹若寒1 ，董振宇2 ，李超超3 ，陈韵秋4
（西安飞机工业(集团)有限责任公司西飞设计院，西安 710089）
摘 要 为建立基于Simulink的差动变压器式角位移传感器的模型，并验证模型的正确性，本文对飞机上应用的差动变压器式角位移传感器的原理进行了深入分析，通过试验的方法得到了RVDT传感器的动态演化曲线，通过试验测试，获得了RVDT传感器的相关参数，利用所建模型进行了动态特性仿真和拟配分析。结果表明：建立的Simulink模型与试验结果参数拟合，可体现RVDT传感器的静态特性和动态特性。本文基于Simulink的差动变压器式角位移传感器（RVDT）建模方法，对于后续对RVDT传感器特性研究具有典型意义。
关键词 传感器；RVDT；和值监控；建模
中图法分类号 TP212.1； 文献标志码 A
Modeling and Simulation of Differential Transformer Angular Displacement Sensor (RVDT) Based on Simulink
CAO Ruo-han1, DONG Zhen-yu2, LI Chao-chao 3,CHEN Yun-qiu 4
（XiFei Design Department, AVIC Xi’an Aircraft Industry (Group) Company Ltd. , Xi’an 710089,China）
[Abstract] In order to establish the model of differential transformer angular displacement sensor based on Simulink and verify the correctness of the model, this paper analyzes the principle of differential transformer angular displacement sensor applied in aircraft, obtained the dynamic evolution curve of RVDT sensor through the test method, and obtains the relevant parameters of RVDT sensor through the test The dynamic characteristic simulation and matching analysis are carried out. The simulation results show that the static characteristics of the sensor can be fitted with the static characteristics of the sensor. In this paper, the modeling method of differential transformer angular displacement sensor (RVDT) based on Simulink is of typical significance for the subsequent research on the characteristics of RVDT sensor.
[Key words] sensor; RVDT; sum value monitoring; modeling
如果说飞机是人的躯体，那飞机上的各种传感器便是眼睛、耳朵和鼻子。传感器在飞机设计中占据了越来越重要的位置，差动变压器式角位移传感器简单、可靠，在飞控系统中应用广泛，是飞控系统十分重要的一种传感器。驾驶指令传感器、构型调参传感器、控制面运动传感器、舵回路反馈传感器均是差动变压器式角位移传感器的应用。
对于飞控系统而言，RVDT传感器的动态特性和静态特性同样重要，本文建立了基于Simulink的差动变压器式角位移传感器模型，分析了RVDT传感器的静态特性和动态特性，实现了RVDT传感器的输出以及和值监控功能。
1 差动变压器式位移传感器原理
差动变压器式位移传感器是一种互感变磁阻式传感器,其激磁绕组和输出绕组的互感值随着动铁心位置改变而变化，并且输出绕组用差动形式连接，其原理与变压器类似，因此称为差动变压器式传感器。其结构有多种形式，其中LVDT和RVDT由于具有结构简单、灵敏度高、测量范围广、可靠性高等优点。本文主要研究差动变压器式角位移传感器（RVDT），差动变压器式角位移传感器（RVDT）主要用于系统中的角度位移测量。
差动变压器式角位移传感器由定子铁芯和转子铁芯组成。当给RVDT提供交流电信号，由于激磁线圈和感应线圈之间的互感作用在传感器内形成电磁回路，传感器内部的电磁感应强度是随着传感器动子铁芯转动角度的变化而变化，而且感应电信号和转子铁芯角度位移之间呈正比关系，所以通过对RVDT传感器输出信号的监控可以得知动子铁芯角度位移的准确信息[1]。
2 试验方法
2.1 动态特性试验
RVDT传感器敏感机械角位移，输出正弦交流电压。试验中发现，当角度加载台按照极限速度转动时，RVDT传感器的输出跟随性仍然非常好，无法识别出动态特性，为了避开机械位移不能模拟理想阶跃的问题，设计了一套以启动电压模拟阶跃信号的传感器动态特性试验验证方法。
试验工具包括：角度加载台、RVDT传感器、单/双余度旋转变压器测试板、示波器、连接导线等。
试验测试方法如下：
角度加载台提供RVDT传感器初始角度，在单/双余度旋转变压器测试板上通过手动上电的形式，模拟阶跃信号的输入，通过示波器的采集验证信号的动态特性。
在试验中，设置了RVDT角度值分别为5°、15°、25°、35°和45°，分别在5种初始角度值下进行断电状态下突然上电的操作，用示波器抓取上电过程中输出电压的波形，每种初始角度值下测量2次。读出每种角度状态下的峰值电压和上升周期，如表1所示，绘制输出电压与旋转角度关系图，如图2所示。
表1 不同角度状态下的峰值电压Ut和上升周期
Table 1 Peak voltage and rise period at different angles
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图2 RVDT传感器动态特性测试试验场景
Fig.2 Linear relationship between output voltage and rotation angle
分析上述试验结果，可以看出，传感器输出信号的峰值电压与旋转角度呈线性关系，与RVDT传感器原理保持一致，反应了传感器静态特性良好。由于在35°到45°之间该测试产品本身存在非线性，此区段拟合结果呈现出一定的非线性。
同时可以看出，RVDT传感器输出电压跟随角度特性好，传感器在0.56ms（1个周期）内基本完成动态跟随，在1.7ms（3个周期）内基本完成震荡收敛，后续波形保持稳定。真实的表现了输出信号动态特性的规律。
2.2 参数测试
试验过程中，对差动变压器式位移传感器的参数进行了测试。
表2 测试参数
Table 2 Test parameters
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3 差动变压器式位移传感器建模
3.1 RVDT传感器模型
将表2的测试参数作为RVDT模块的参数设置，在Simulink下建立RVDT传感器模型如图3：
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图3 RVDT模型
Fig.3 RVDT model
RVDT模块主体为模拟电路模块，模拟电路模块由激励源输入、RVDT模型、AC voltage source、voltage sensor、Electrical reference、PS-Simulink Converter、RMS、Sum、Gain和Scope等模块组成，RVDT模块主要由多个Mutual Inductor通过特定的控制逻辑迭代组合而成。角度输入可设置阶跃输入（step）、连续变化角度输入（slider模块，范围为-5°～5°），示波器输出通道设计为激励源输入电压信号、一阶传递函数输出信号、二阶传递函数输出信号、差值计算信号和和值监控信号模块。
模拟上电过程，观察输出电压，输出电压见图4，可以看出，上电过程与试验曲线一致。
设置阶跃输入，观察输出电压，输出电压见图5，可以看出，阶跃输入时输出电压曲线与上电过程一致。
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图5 阶跃输入时的输出电压
Fig.5 Output voltage at step input
上电过程和阶跃输入时的输出电压均在1.7ms（3个周期）内基本完成震荡收敛，与试验结果一致，更加证明了模型的正确性。
3.2 模型拟配
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图7 全流程仿真
Fig.7 Whole process simulation
仿真结果显示，RVDT模块可以在1.7ms内完成真实信号的跟随和稳定，一阶惯性环节可以很好的拟配动态和静态过程，仿真过程中，和值监控稳定。
4 结论
本文基于Simulink，开展了差动变压器式角位移传感器的建模与仿真，建模流程见图8，体现了传感器的静态特性和动态特性。基于Simulink的差动变压器式角位移传感器（RVDT）建模方法，对于研究RVDT传感器特性具有典型意义。可以通过设置参数设计出不同的模型，并拟合出应用于传感器的传递函数模型。此模型还可以衍生出LVDT模型，应用广泛，为各类传感器等系统的设计环节打下基础。
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图8 建模流程
Fig.8 Modeling process
参 考 文 献
1穆日敏.RVDT传感器辅助设计系统研究与开发[D].南京：南京航空航天大学，2018.
Mu Rimin. Research and development of RVDT sensor aided design system [D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2018