傳感器差動變壓器

第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六主要內(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)用第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2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：測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.1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差動變壓器第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.1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差動變壓器第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六當沒有位移時，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，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，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六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓U2=e2a-e2b≠0，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七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.1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不計）、漏感以及變壓器次級開路（或負載阻抗足夠大）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差動變壓器第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六當r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b時，如果不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響，得變隙式差動變壓器輸出電壓U2的表達式，即分析：當銜鐵處于初始平衡位置時，因δa=δb=δ0，則U2=0。如果被測體帶動銜鐵移動，例如向上移動Δδ（假設(shè)向上移動為正）時，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得3.2.1變隙式差動變壓器3.2.1變隙式差動變壓器3.2差動變壓器第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動變壓器上式表明：變壓器輸出電壓與銜鐵位移量Δδ/δ0成正比?！埃碧柕囊饬x:當銜鐵向上移動時，Δδ/δ0定義為正，變壓器輸出電壓與輸入電壓Ui反相（相位差180°）；當銜鐵向下移動時，Δδ/δ0則為-|Δδ/δ0|，表明Uo與Ui同相。3.2.1變隙式差動變壓器3.2差動變壓器變隙式差動變壓器靈敏度K的表達式為第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動變壓器①首先，供電電源U1要穩(wěn)定（獲取穩(wěn)定的輸出特性）；其次，電源幅值的適當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。（W2/W1影響變壓器的體積及零點殘余電壓。一般選擇傳感器的δ0為0.5mm。）3.2.1變隙式差動變壓器3.2差動變壓器第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動變壓器變隙式差動變壓器輸出電壓U2與位移Δδ的關(guān)系曲線。零點殘余電壓：差動變壓器可動銜鐵處在中間位置時，理想條件下U0=0；而實際U0為幾mV到幾十mV。（嚴格對稱）3.2.1變隙式差動變壓器3.2差動變壓器第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.1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螺線管式差動變壓器3.2差動變壓器第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器1.工作原理3.2.2螺線管式差動變壓器第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器1.工作原理兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路。3.2.2螺線管式差動變壓器3.2差動變壓器第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器1.工作原理當初級繞組加以激勵電壓U時,根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩互感M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級繞組反相串聯(lián),因而Uo=E2a-E2b=0，即差動變壓器輸出電壓為零。3.2差動變壓器第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器當活動銜鐵向上移動時,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。因為Uo=E2a-E2b，所以當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差動變壓器第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器3.2.2螺線管式差動變壓器3.2差動變壓器第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器當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，造成實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差動變壓器第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器零點殘余電壓產(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。基波產(chǎn)生的主要原因是：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)中的磁場強度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強度B或磁化強度M之間的關(guān)系。

3.2.2螺線管式差動變壓器3.2差動變壓器第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2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。當次級開路時U——初級線圈激勵電壓；ω——激勵電壓U的角頻率；

I1——初級線圈激勵電流；

r1、L1——初級線圈電阻和電感。.3.2.2螺線管式差動變壓器3.2差動變壓器第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2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差動變壓器第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器上式說明，當激磁電壓的幅值和角頻率ω、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差動變壓器第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器①活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=MUo=0②活動銜鐵向上移動時M1=M+ΔM

M2=M-ΔM與E2a同極性。.3.2.2螺線管式差動變壓器3.2差動變壓器第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM與E2b同極性。.3.2.2螺線管式差動變壓器3.2差動變壓器第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2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差動變壓器第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器（2）線性度線性度:

傳感器實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），并用百分數(shù)來表示。影響差動變壓器線性度的因素: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差動變壓器第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器

4.零點殘余電壓及消除方法零點殘余電壓危害：使傳感器輸出特性在零點附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制分辨力的提高。零點殘余電壓太大，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差動變壓器第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器

4.零點殘余電壓及消除方法產(chǎn)生零點殘余電壓的原因：（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差動變壓器第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六（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殘余電壓為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，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差動變壓器第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2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差動變壓器第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2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差動變壓器第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動變壓器

5.轉(zhuǎn)換電路

當銜鐵在零位時，因為U24=U68，所以U2=0；當銜鐵在零位以上時，因為U24>U68

，則U2>0；而當銜鐵在零位以下時，則有U24<U68，則U2<0。U2的正負表示銜鐵位移的方向。3.2.2螺線管式差動變壓器3.2差