采用差動變壓器式電感傳感器

1、采用差動變壓器式電感傳感器設計一套位移測量系統(tǒng)的設計方案1.差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的, 并且次級繞組都用差動形式連接, 故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式較多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測量中, 應用最多的是螺線管式差動變壓器, 它可以測量1100mm范圍內的機械位移, 并具有測量精度高, 靈敏度高, 結構簡單, 性能可靠等優(yōu)點。2.工作原理差動變壓器是一種線圈互感隨銜鐵位移而變化的轉換器。差動變壓器等效電路如圖1所示。圖1 差動變壓器等效電路其磁路是

2、開放的, 次級的2 個線圈連接成差動結構。根據圖1可以推算差動變壓器輸出電壓的有效值為 (1)式中 M1, M2 分別為初級線圈L1 與次級線圈L 21, L22的互感, H; R1 為初級線圈的電阻, 8 ; Ui 為初級線圈的激勵電壓, V。差動變壓器的互感量與其內部的磁場變化相關聯,而磁場的變化又取決于銜鐵在開磁路中的位置。因此, 在一定范圍內, 只要銜鐵位移, 差動變壓器的輸出電壓就產生相應的變化, 近似線性關系, 輸出電壓Uo 是銜鐵位移量x 的單值函數。銜鐵在差動變壓器的幾何中心位置時, 如次級的2個線圈的參數和磁路尺寸相等, 則M 1 = M2, 參照式( 1)運算, 此時, 差

3、動變壓器的輸出電壓為零。但實際制作時, 次級2個線圈的電氣參數和幾何尺寸存在一定的差異, 所以, 當銜鐵處于中間位置時, 定有不平衡輸出, 即存在零點殘余電壓。零點殘余電壓包含基波和高次諧波?；ǖ恼环至渴馆敵鲂盘柈a生相移, 相移跟隨輸出信號的大小而變化。高次諧波分量是磁性材料磁化曲線的非線性引起的。零殘電壓的存在造成極大的負面效應, 使傳感器在零點附近測量時靈敏度大大降低, 分辨力變差, 測量誤差增大。為了最大限度地消除零殘電壓, 首要條件是保證次級2個線圈的電氣參數和幾何尺寸的一致性和磁路的對稱性。在此基礎上, 選擇適宜的補償電路亦是至關重要的, 可進一步減小零殘電壓。本方案使用圖2的補

4、償電路, 電路中增加了反饋支路。圖2 差動變壓器零殘電壓補償電路3. 差動變壓器式傳感器測量電路 差動變壓器輸出的是交流電壓, 若用交流電壓表測量, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動方向。另外, 其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的, 實際測量時, 常常采用相敏檢波電路。 (1)相敏檢波電路電路如圖 3所示。VD1、VD2、VD3、 VD4 為四個性能相同的二極管, 以同一方向串聯成一個閉合回路, 形成環(huán)形電橋。 輸入信號u2(差動變壓器式傳感器輸出的調幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線。 參考信號u0通過變壓器T2加入環(huán)形電橋的另

5、一個對角線。 輸出信號uL從變壓器1與2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用, 避免二極管導通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負載電阻。u0的幅值要遠大于輸入信號u2的幅值, 以便有效控制四個二極管的導通狀態(tài), 且u0和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電， 保證二者同頻、同相（或反相）。 圖 3 相敏檢波電路由波形圖（a）、（c）、 (d)可知, 當位移x 0時, u2與u0同頻同相, 當位移x 0時, u2與u0為同頻同相, 當u2與u0均為正半周時, 見圖 3（a）, 環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止, VD2、VD3導通, 則可得圖 3（b）的等效電路。 圖3波形圖根據變壓

6、器的工作原理, 考慮到O、M分別為變壓器T1、 T2的中心抽頭, 則有 u01= u02= (4 - 29) u21= u22=(4 - 30) 式中 n1, n2為變壓器T1、T2的變比。采用電路分析的基本方法, 可求得圖 3（b）所示電路的輸出電壓uL的表達式: 同理當u2與u0均為負半周時, 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導通。 其等效電路如圖 3（c）所示, 輸出電壓uL 表達式與式(4 -31）相同, 說明只要位移x0, 不論u2與u0是正半周還是負半周，負載RL兩端得到的電壓uL始終為正。當x0時,u2與u0為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當x0時, 不論u

7、2與u0是正半周還是負半周, 負載電阻RL兩端得到的輸出電壓uL表達式總是為所以上述相敏檢波電路輸出電壓uL的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律, 即uL的值反映位移x的大小, 而uL的極性則反映了位移x的方向。 振蕩器RC選頻網絡和同相比例運算電路所構成的RC橋式正弦波振蕩電路。電路中負反饋網絡的R1，Rf以及正反饋網絡串聯的R和C，并聯的R和C各為一臂構成橋路。集成運放的輸出端和“地接橋路的兩個頂點作為電路的輸出；集成運放的同相輸入端和反相輸入端接另外兩個頂點，是集成運放的凈輸入電壓。RC橋式正弦波振蕩電路具有大的輸入電阻和小的輸出電阻，減小放大電路對選頻特性的影響，使振蕩頻率幾乎僅由選頻網絡決定。壓控低通濾波器放大器與電阻R2，R3構成同相放大器，稱為壓控電壓源。電路中既引入了負反饋，又引入了正反饋。當信號頻率趨于零時，由于C的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當信號頻率趨于無窮大時，由于C的電抗趨于零，因而V0趨于零。所以只要正反饋引入得當，就既能在f=f0時使電壓放大倍數數值增大，又不會因正反饋過強而產生自激振蕩。壓控電壓源可由任何增益有限的電壓放大器實現，壓控增益為