電感式傳感器B-差動(dòng)變壓器式傳感器

第3章電感式傳感器3.1變磁阻式傳感器

3.2差動(dòng)變壓器式傳感器3.7電渦流式傳感器1電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!3.2差動(dòng)變壓器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(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)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，圖3-11為差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測量1～100mm機(jī)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(diǎn)。2電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器1.工作原理

假設(shè)閉磁路變隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖3-11（a）所示，在A、B兩個(gè)鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個(gè)初級(jí)繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián)。3電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!圖3-11差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（a）、（b）變隙式差動(dòng)變壓器;（c）、（d）螺線管式差動(dòng)變壓器4電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!２.輸出特性

圖3-12變隙式差動(dòng)變壓器等效電路5電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!綜合以上分析，可得到如下結(jié)論：①首先，供電電源Ui要穩(wěn)定，以便使傳感器具有穩(wěn)定的輸出特性；其次，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值，但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件。②增加W2/W1的比值和減小δ0都能使靈敏度K值提高。然而，W2/W1的比值與變壓器的體積及零點(diǎn)殘余電壓有關(guān)，不論從靈敏度考慮，還是從忽略邊緣磁通考慮，均要求變隙式差動(dòng)變壓器的δ0愈小愈好。為兼顧測量范圍的需要，一般選擇傳感器的δ0為0.5mm。6電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!１-活動(dòng)銜鐵；２-導(dǎo)磁外殼；３-骨架；４-匝數(shù)為W1初級(jí)繞組；５-匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組；６-匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器1.工作原理7電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!圖3-17差動(dòng)變壓器輸出電壓的特性曲線8電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：①基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。

②高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。

9電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!3．采用補(bǔ)償線路①由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。

～e1e2CR～e1e2CR(a)(b)調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路10電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!3.差動(dòng)變壓器式傳感器測量電路

差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向。另外，其測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。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，實(shí)際測量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。(1)差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“＋”，e點(diǎn)為“–”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“–”，e點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eab＋ecd。11電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!(2)相敏檢波電路容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足er>>e。調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD＝0。若鐵芯上移，e≠0，設(shè)e和er同相位，由于er>>e，故er正半周時(shí)D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢為er＋e，而D2回路內(nèi)總電勢為er－e，故回路電流i1＞i2輸出電壓UCD=R0（i1–i2）>0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí)，Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)>0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD>0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD<0。由此可見，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。

12電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，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(gè)次級(jí)繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當(dāng)被測體有位移時(shí)，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級(jí)繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動(dòng)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。..13電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!如果被測體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)圖3-13變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性

１理想特性；２實(shí)際特性14電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!③以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容等條件下得到的，如果考慮這些影響，將會(huì)使傳感器性能變差（靈敏度降低，非線性加大等）。但是，在一般工程應(yīng)用中是可以忽略的。④以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對(duì)稱的前提下得到的，而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn)，因此傳感器實(shí)際輸出特性如圖3-13中曲線2所示，存在零點(diǎn)殘余電壓ΔUo。⑤進(jìn)行上述推導(dǎo)的另一個(gè)條件是變壓器副邊開路，對(duì)由電子線路構(gòu)成的測量電路來講，這個(gè)要求很容易滿足，但如果直接配接低輸入阻抗電路，就必須考慮變壓器副邊電流對(duì)輸出特性的影響。15電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型，如圖3-15所示。一節(jié)式靈敏度高，三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小，通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。圖3-15線圈排列方式（a）一節(jié)式;（b）二節(jié)式;（c）三節(jié)式;（d）四節(jié)式;（e）五節(jié)式16電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!在零點(diǎn)總是有一個(gè)最小的輸出電壓。一般把這個(gè)最小的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓的大小是判別傳感器質(zhì)量的重要表示之一。當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，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(shí)，Uo也必將隨x而變化。圖3-17給出了差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo與活動(dòng)銜鐵位移Δx的關(guān)系曲線。圖中實(shí)線為理論特性曲線，虛線曲線為實(shí)際特性曲線。由圖3-17可以看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，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。.........

..零點(diǎn)殘余電壓：17電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!消除零點(diǎn)殘余電壓方法：1．從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。2．選用合適的測量線路

采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性18電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!②并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02μF)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)?！玡1e2CR1R2W電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路19電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共21頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!全波整流電路和波形圖～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)在f點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是fgdche(參看圖a)。反之，如f點(diǎn)為“–”，則電流路徑是ehdcgf。20電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器共2