傳感器差動變壓器

1、第1頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日主要內(nèi)容3.1 自感式傳感器3.2 差動變壓器3.3 電容傳感器3.4 電渦流式傳感器第三章 變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用第2頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2 差動變壓器互感式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器。差動變壓器式傳感器次級繞組用差動形式結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式、螺線管式優(yōu)點(diǎn)：測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠第3頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.1 變隙式差動變壓器3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2.3 差動變壓器應(yīng)用3.2 差動變壓器3.

2、2 差動變壓器第4頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.1 變隙式差動變壓器由銜鐵、初級線圈、次級線圈、線圈框架組成。W1a及W1b為初級繞組，W2a及W2b為次級繞組，C為銜鐵。為反映差值互感，將兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓U1兩個次級繞組的同名端反向串聯(lián)，同時測量串聯(lián)后的合成電勢U2。1. 工作原理3.2 差動變壓器第5頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日當(dāng)沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有a0=b0=0。則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等

3、，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，差動變壓器輸出電壓：U2=e2a-e2b=0。3.2 差動變壓器3.2.1 變隙式差動變壓器第6頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日當(dāng)被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab，互感MaMb，兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓U2=e2a-e2b0，即差動變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。 3.2 差動變壓器3.2.1 變隙式差動變壓器第7頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.1 變隙式差動變壓器2. 輸出特性在忽略鐵耗（即渦流與磁滯損耗忽略

4、不計）、漏感以及變壓器次級開路（或負(fù)載阻抗足夠大）的條件下等效電路。 r1a與L1a , r1b與L1b , r2a與L2a , r2b與L2b，分別為W1a , W1b , W2a, W2b繞組的電阻與電感。 3.2 差動變壓器第8頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日當(dāng)r1aL1a，r1bM2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時， Uo也必將隨x而變化。3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第17頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺

5、線管式差動變壓器3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第18頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器當(dāng)銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓不等于零。把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作Uo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。 3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第19頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的?；óa(chǎn)生的

6、主要原因是： 傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱， 導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置， 兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。磁化曲線是表示物質(zhì)中的磁場強(qiáng)度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)度M之間的關(guān)系。 3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第20頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 2. 基本特性根據(jù)差動變壓器等效電路。 當(dāng)次級開路時 U初級線圈激勵電壓；激勵電壓U的角頻率； I1初級線圈激勵電流； r1、 L1

7、初級線圈電阻和電感。 .3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第21頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為 由于次級兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級開路，則由以上關(guān)系可得 3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第22頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器上式說明，當(dāng)激磁電壓的幅值和角頻率、 初級繞組的電阻r1及電感L1為定值時，差動變壓器輸出電壓僅僅是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M2對活動銜鐵位移

8、x的關(guān)系式，可得到螺線管式差動變壓器的基本特性表達(dá)式。 輸出電壓的有效值為 3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第23頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 活動銜鐵處于中間位置時 M1=M2=M Uo=0 活動銜鐵向上移動時 M1 =M+M M2 =M-M 與E2a同極性。 .3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第24頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 活動銜鐵向下移動時 M1 =M-M， M2 =M+M 與E2b同極性。 .3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差

9、動變壓器第25頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 3. 主要性能 （1）靈敏度差動變壓器在單位電壓激勵下，鐵芯移動一個單位距離時的輸出電壓，以(V/mm)/V表示。OA段: kE隨f的增加而增加AB段：kE 趨于定值。BC段：鐵芯有效阻值增大，鐵芯發(fā)熱，kE隨f的增加而下降。3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第26頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器（2）線性度線性度: 傳感器實(shí)際特性曲線與理論直線之間的最大偏差除以測量范圍（滿量程），并用百分?jǐn)?shù)來表示。影響差動變壓器線性度的

10、因素:骨架形狀和尺寸的精確性，線圈的排列，鐵芯的尺寸和材質(zhì)，激勵頻率和負(fù)載狀態(tài)等。改善差動變壓器的線性度:取測量范圍為線圈骨架長度的1/10-1/4，激勵頻率采用中頻。3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第27頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 4. 零點(diǎn)殘余電壓及消除方法零點(diǎn)殘余電壓危害：使傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制分辨力的提高。零點(diǎn)殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡?，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。 3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第28頁，共41頁

11、，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 4. 零點(diǎn)殘余電壓及消除方法產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因：（1）由于兩個二次測量線圈的等效參數(shù)不對稱，使其輸出的基波感應(yīng)電動勢的幅值和相位不同，調(diào)整磁芯位置時，也不能達(dá)到幅值和相位同時相同。（2）由于鐵芯（導(dǎo)磁材料）的磁化曲線的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消。3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第29頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日（1）差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向)（2）測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓為了達(dá)到能辨別移動方

12、向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 (1) 差動整流電路 把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。3.2.2 螺線管式差動變壓器 5. 轉(zhuǎn)換電路3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第30頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 5. 轉(zhuǎn)換電路3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第31頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 5. 轉(zhuǎn)換電路從圖（c）電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如

13、何，流經(jīng)電容C1的電壓是U24，流經(jīng)電容C2的電壓U68， 故整流電路的輸出電壓為 3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第32頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.2 螺線管式差動變壓器 5. 轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)銜鐵在零位時，因?yàn)閁24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時，因?yàn)閁24 U68 ，則U2 0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時， 則有U24 U68，則U2 0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。3.2.2 螺線管式差動變壓器3.2 差動變壓器第33頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.1 變隙式差動變壓器3.2.2 螺線管式差動變

14、壓器3.2.3 差動變壓器應(yīng)用3.2 差動變壓器3.2 差動變壓器第34頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2.3 差動變壓器應(yīng)用可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連， 此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動銜鐵以x(t)振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 3.2.3 差動變壓器應(yīng)用3.2 差動變壓器差動變壓器式加速度傳感器第35頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日3.2 差動變壓器第36頁，共41頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)28分，星期日第37頁，共41頁，2022年，5月