第4章電感式2差動(dòng)變壓器

1、 4.2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器 把把被測(cè)量被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感線圈互感的的變化的傳感器稱為互感式傳感器。變化的傳感器稱為互感式傳感器。 根據(jù)變壓器原理制成，根據(jù)變壓器原理制成， 次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接， 故稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。故稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式：差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式： 變隙式變隙式 變面積式變面積式 螺線管式螺線管式 應(yīng)用最多的是應(yīng)用最多的是螺線管式螺線管式差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器。 它可以測(cè)量它可以測(cè)量1100mm機(jī)械位移，機(jī)械位移， 測(cè)量精度高測(cè)量精度高 靈敏度高靈敏度高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 性能可靠。性能

2、可靠。 4.2.1 變隙式差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器 1. 變隙式差動(dòng)變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)變隙式差動(dòng)變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 （a） 變隙式差動(dòng)變壓器; iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b) 兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向順向串聯(lián)。串聯(lián)。 順向順向串聯(lián)：串聯(lián)： 兩個(gè)繞組的兩個(gè)繞組的異名端異名端相聯(lián)。相聯(lián)。 兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端反相反相串聯(lián)。串聯(lián)。 反向反向串聯(lián)：串聯(lián)： 兩個(gè)繞組的兩個(gè)繞組的同名端同名端相聯(lián)。相聯(lián)。 差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 （b） 變隙式差動(dòng)變壓器iUBbaiIA1W

3、1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 （a） 變隙式差動(dòng)變壓器; iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b) 當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始處于初始平平衡衡位置，位置， 由于次級(jí)繞組由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)反相串聯(lián)， 因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓 Uo= 0 當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連與被測(cè)體相連的銜鐵的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，差動(dòng)的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，差動(dòng)變壓器有電壓輸出。變壓器有電壓輸出。 此此電壓電壓的大小與極性反映被測(cè)體的大

4、小與極性反映被測(cè)體位位移移的大小和方向。的大小和方向。 （c） 螺線管式差動(dòng)變壓器 (c)1U2U（d） 螺線管式差動(dòng)變壓器 (c)1U2U2U1U(d )（e） 變面積式差動(dòng)變壓器 2U1U01U2U(e)( f ) （f） 變面積式差動(dòng)變壓器 2U1U01U2U(e)( f ) 2. 輸出特性輸出特性 在忽略在忽略鐵損鐵損（即（即渦流渦流與與磁滯損耗磁滯損耗）、）、漏感漏感以及變壓器以及變壓器次級(jí)開路次級(jí)開路（或負(fù)載阻抗（或負(fù)載阻抗足夠大）的條件下，足夠大）的條件下， 變隙式差動(dòng)變壓器等效電路變隙式差動(dòng)變壓器等效電路 差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 （a） 變隙式差動(dòng)變壓器; iUBbai

5、IA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b) 變隙式差動(dòng)變壓器等效電路 iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb r1a與與L1a , r1b與與L1b , r2a與與L2a , r2b與與L2b，分別，分別為為W1a , W1b , W2a, W2b繞阻的直繞阻的直流電阻與電感。流電阻與電感。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律和磁路歐姆定律，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和磁路歐姆定律，當(dāng)當(dāng)r1aL1a，r1b M2，因而，因而 E21 增加，而增加，而 E22 減小。減小。 反之，反之，E22增加，增加，E21減小。減小。 因?yàn)橐驗(yàn)閁2=E21E22

6、，所以當(dāng)，所以當(dāng)E21、E22 隨著銜鐵位移隨著銜鐵位移x 變化時(shí)，變化時(shí)，U2也必將隨也必將隨x而而變化。變化。 差動(dòng)變壓器輸出電壓的特性曲線 W2bW1W2a0 xuou2bou2au2u2au2bx理論特性曲線實(shí)際特性曲線oU 產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因：產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因： 傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，幾何尺寸不對(duì)稱， 磁性材料的非線性等。磁性材料的非線性等。 零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜， 零點(diǎn)殘余電壓的組成：零點(diǎn)殘余電壓的組成： 基波基波 高次諧波高次諧波。 產(chǎn)生基波的原因：產(chǎn)生基波的原因： 傳感器兩次級(jí)繞組

7、的電氣參數(shù)、幾傳感器兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等、相位不同。勢(shì)幅值不等、相位不同。 不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。 高次諧波中起主要作用的是高次諧波中起主要作用的是三次諧波三次諧波， 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因： 磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。和、磁滯）。 零點(diǎn)殘余電壓一般在零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏幾十毫伏以下，以下， 應(yīng)設(shè)法減小零點(diǎn)殘余電壓，應(yīng)設(shè)法減小零點(diǎn)殘余電壓， 否則將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。否則將會(huì)影響測(cè)

8、量結(jié)果。 差動(dòng)變壓器等效電路 2. 基本特性基本特性 當(dāng)次級(jí)開路時(shí)當(dāng)次級(jí)開路時(shí)1111UIrjL U1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；初級(jí)線圈激勵(lì)電壓； 激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓 U1 的角頻率；的角頻率； I1初級(jí)線圈的激勵(lì)電流；初級(jí)線圈的激勵(lì)電流； r1初級(jí)線圈的直流電阻；初級(jí)線圈的直流電阻； L1初級(jí)線圈的電感。初級(jí)線圈的電感。 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)為次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)為 2111EjM I M1、M2為為初級(jí)繞組初級(jí)繞組與兩與兩次級(jí)繞組次級(jí)繞組的互感系數(shù)。的互感系數(shù)。 2221EjMI 由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且次由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且次級(jí)開路，則級(jí)開路，則 1212212211()jMMUUEErj L

9、 121211()jMMUUrj L 將以上復(fù)數(shù)化為代數(shù)式將以上復(fù)數(shù)化為代數(shù)式 121211()jMMUUrj L 輸出電壓的有效值為輸出電壓的有效值為 12122211()()MMUUrL 當(dāng)激磁電壓的幅值當(dāng)激磁電壓的幅值 U1 和角頻率和角頻率、 初級(jí)繞組的直流電阻初級(jí)繞組的直流電阻 r1 及電感及電感 L1 為定為定值時(shí)，值時(shí)， U2 僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間之間互感之差互感之差的函數(shù)。的函數(shù)。 12122211()()MMUUrL 因此，只要求出互感因此，只要求出互感M1和和M2對(duì)活對(duì)活動(dòng)銜鐵位移動(dòng)銜鐵位移 x 的關(guān)系式，再代入上式的關(guān)系式，再代入上

10、式即可得到即可得到基本特性表達(dá)式?；咎匦员磉_(dá)式。 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M1=M2=M U2=0 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) M1 =M +M， M2 =MM 1212221112211()2()MMUUrLM UrL 與與 E21同極性。同極性。 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí) M1 =MM， M2 =M+M 1222112()M UUrL 與與 E22 同極性。同極性。 . 1222112()M UUrL .1222112()M UUrL 3. 差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓，若差動(dòng)變壓器的輸出是交

11、流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向。的大小，不能反映移動(dòng)的方向。 另外，測(cè)量值中還包含零點(diǎn)殘余電另外，測(cè)量值中還包含零點(diǎn)殘余電壓。壓。 為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，常常采用差動(dòng)整流點(diǎn)殘余電壓的目的，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。電路和相敏檢波電路。 (1) 差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路 把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。差值作為輸出。（a） 半波電壓輸出 1UR02U

12、(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d )（b） 半波電流輸出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) （c） 全波電壓輸出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) （d） 全波電流輸出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) 圖（圖（a）

13、、（）、（c）適用于交流阻抗負(fù)載，）適用于交流阻抗負(fù)載， 圖（圖（b）、（）、（d）適用于低阻抗負(fù)載，）適用于低阻抗負(fù)載， R0 用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。 從圖（從圖（c）可知，不論兩個(gè)次級(jí)線）可知，不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電容圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向總是從的電流方向總是從 2 到到 4，流經(jīng)電容，流經(jīng)電容C2的電流方向總是從的電流方向總是從6 到到 8。 （c） 全波電壓輸出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) 整流電路的輸出電壓為

14、整流電路的輸出電壓為 22468UUU當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，U24=U68，所以所以U2=0； 當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)楫?dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24 U68 ， 則則U2 0； 而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，U24 U68， 則則U2 0時(shí)，時(shí)，u2 與與us為同頻同相；為同頻同相； 當(dāng)當(dāng)x0，不論，不論u2與與us是正半是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的兩端得到的電壓電壓uo始終為正。始終為正。 當(dāng)當(dāng)x 0 時(shí)，時(shí)，u2與與us為同頻反相。不為同頻反相。不論論u2與與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻阻RL兩端得到的輸出電壓兩端得到的輸出電壓uo表達(dá)式總是表達(dá)式總是為為 21(2)LoLR uun RR 21(2)LoLR uunRR 21(2)LoLR uun RR R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1us1CRus2RLMu22Ruo(b)us1Cus2RLM(c)DRRDu21OOuoA 相敏檢波電路 4. 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 直接測(cè)量位移，也可以測(cè)量與位移直接測(cè)量位移，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速