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(shè)計一套位移測量系統(tǒng)的設(shè)計方案1.差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)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(jù)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(jié)構(gòu)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(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器, 它可以測量1100mm范圍內(nèi)的機械位移, 并具有測量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。根據(jù)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(nèi)部的磁場變化相關(guān)聯(lián),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(nèi), 只要銜鐵位移, 差動變壓器的輸出電壓就產(chǎn)生相應(yīng)的變化, 近似線性關(guān)系, 輸出電壓Uo 是銜鐵位移量x 的單值函數(shù)。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(shù)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(shù)和幾何尺寸存在一定的差異, 所以, 當(dāng)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(chǎn)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(fù)面效應(yīng), 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(shù)和幾何尺寸的一致性和磁路的對稱性。在此基礎(chǔ)上, 選擇適宜的補償電路亦是至關(guān)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(dá)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(lián)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(diào)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(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。u0的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值, 以便有效控制四個二極管的導(dǎo)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(dāng)位移x 0時, u2與u0同頻同相, 當(dāng)位移x 0時, u2與u0為同頻同相, 當(dāng)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(dǎo)通, 則可得圖 3（b）的等效電路。 圖3波形圖根據(jù)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(dá)式: 同理當(dāng)u2與u0均為負(fù)半周時, 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導(dǎo)通。 其等效電路如圖 3（c）所示, 輸出電壓uL 表達(dá)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(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓uL始終為正。當(dāng)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(dāng)x0時, 不論u

7、2與u0是正半周還是負(fù)半周, 負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓uL表達(dá)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(wǎng)絡(luò)和同相比例運算電路所構(gòu)成的RC橋式正弦波振蕩電路。電路中負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的R1，Rf以及正反饋網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的R和C，并聯(lián)的R和C各為一臂構(gòu)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(wǎng)絡(luò)決定。壓控低通濾波器放大器與電阻R2，R3構(gòu)成同相放大器，稱為壓控電壓源。電路中既引入了負(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)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(dāng)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(dāng)，就既能在f=f0時使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會因正反饋過強而產(chǎn)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(xiàn)，壓控增益為