第4章电感式2差动变压器.

4.2差动变压器式传感器把被测量的变化转换为线圈互感的变化的传感器称为互感式传感器。根据变压器原理制成，次级绕组用差动形式连接，故称为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式变面积式螺线管式应用最多的是螺线管式差动变压器。它可以测量1～100mm机械位移，测量精度高灵敏度高结构简单性能可靠。4.2.1变隙式差动变压器1.变隙式差动变压器传感器的结构差动变压器式传感器的结构示意图（a）变隙式差动变压器;iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)两个初级绕组的同名端顺向串联。顺向串联：两个绕组的异名端相联。两个次级绕组的同名端反相串联。反向串联：两个绕组的同名端相联。差动变压器式传感器的结构示意图（b）变隙式差动变压器iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)差动变压器式传感器的结构示意图（a）变隙式差动变压器;iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=0当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，差动变压器有电压输出。此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。（c）螺线管式差动变压器(c)1U2U2U1U(d)（d）螺线管式差动变压器(c)1U2U2U1U(d)（e）变面积式差动变压器2U1U01U2U(e)(f)（f）变面积式差动变压器2U1U01U2U(e)(f)2.输出特性在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，变隙式差动变压器等效电路差动变压器式传感器的结构示意图（a）变隙式差动变压器;iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)变隙式差动变压器等效电路iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb－＋－＋r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。根据电磁感应定律和磁路欧姆定律，当r1aωL1a，r1bωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，.21baoibaWUUW差动变压器式传感器的结构示意图（a）变隙式差动变压器;iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b).21baoibaWUUW当衔铁处于初始平衡位置时，δa=δb=δ0，Uo=0。如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正）时，有δa=δ0—Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得.210ioUWUW变压器输出电压Uo与衔铁位移量Δδ/δ0成正比。负号的意义是:当衔铁向上移动时，Δδ/δ0定义为正，变压器输出电压Uo与输入电压Ui反相（相位差180°）。当衔铁向下移动时，Δδ/δ0则为—|Δδ/δ0|，表明Uo与Ui同相。变隙式差动变压器输出特性oU12e2ae2be2ae2bUo＋－O1—理想特性；2—实际特性－变隙式差动变压器灵敏度K210oiUUWKW结论：①Ui要稳定，以便使UO稳定，增大Ui可以提高K，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。210ioUWUW②增加W2/W1的比值和减小δ0都能使K提高。然而，W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关。变隙式差动变压器的δ0愈小愈好。一般选择δ0＝0.5mm。210oiUUWKW③如果考虑铁损和线圈中分布电容的影响，将会使传感器性能变差：K降低非线性增大等但是，在一般工程应用中可以忽略。④以上结论是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，而实际上很难做到，因此传感器存在零点残余电压ΔUo。⑤上述推导的另一个条件是变压器副边开路，对于由电子线路构成的测量电路来说，这个要求很容易满足。但如果直接配接低输入阻抗电路，就必须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。4.2.2螺线管式差动变压器1.工作原理螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式不同可分为：一段式二段式三段式四段式五段式螺线管式差动变压器结构5461231—活动衔铁；2—导磁外壳；3—骨架；4—匝数为W1的初级绕组；5—匝数为W2a的次级绕组；6—匝数为W2b的次级绕阻(a)(b)(c)(d)(e)(a)(b)(c)(d)(e)(a)(b)(c)(d)(e)(a)(b)(c)(d)(e)(a)(b)(c)(d)(e)二段式灵敏度高，三段式零点残余电压较小，通常采用二段式和三段式两类，其结构如图4-14（a）（b）所示。（a）1U2U图4-14螺线管式差动变压器(a)1U2U2U1U(b)图4-14螺线管式差动变压器(c)1U2U2U1U(b)差动变压器式传感器中的两个次级线圈反向串联，在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如图4-15所示。差动变压器等效电路1Ur1L1L21L2221E22Er21r222UI1+-+-+-+-+-21U+-21U当初级绕组加以激励电压U1时,在两个次级绕组W21和W22中便会产生感应电势E21和E22。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。此时E21=E22由于变压器两次级绕组反相串联,因而U2=E21—E22=0,即差动变压器输出电压为零。当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W21中磁通将大于W22，使M1M2，因而E21增加，而E22减小。反之，E22增加，E21减小。因为U2=E21—E22，所以当E21、E22随着衔铁位移x变化时，U2也必将随x而变化。差动变压器输出电压的特性曲线W2bW1W2a0xuou2bou2au2＝u2a－u2bx理论特性曲线实际特性曲线oUΔ产生零点残余电压的原因：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，磁性材料的非线性等。零点残余电压的波形十分复杂，零点残余电压的组成：基波高次谐波。产生基波的原因：传感器两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同。不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因：磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，应设法减小零点残余电压，否则将会影响测量结果。1Ur1L1L21L2221E22Er21r222UI1+-+-+-+-+-21U+-21U差动变压器等效电路2.基本特性当次级开路时1111UIrjLU1——初级线圈激励电压；ω——激励电压U1的角频率；I1——初级线圈的激励电流；r1——初级线圈的直流电阻；L1——初级线圈的电感。次级绕组中感应电势为2111EjMIM1、M2为初级绕组与两次级绕组的互感系数。2221EjMI由于次级两绕组反相串联，且次级开路，则1212212211()jMMUUEErjL121211()jMMUUrjL将以上复数化为代数式121211()jMMUUrjL输出电压的有效值为12122211()()MMUUrL当激磁电压的幅值U1和角频率ω、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，U2仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。12122211()()MMUUrL因此，只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，再代入上式即可得到基本特性表达式。①活动衔铁处于中间位置时M1=M2=MU2=0②活动衔铁向上移动时M1=M+ΔM，M2=M—ΔM1212221112211()2()MMUUrLMUrL与E21同极性。③活动衔铁向下移动时M1=M—ΔM，M2=M+ΔM1222112()MUUrL与E22同极性。.1222112()MUUrL.1222112()MUUrL3.差动变压器式传感器测量电路差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，测量值中还包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。（a）半波电压输出1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21UxT14235687910(c)T1Ux2UR0(d)（b）半波电流输出1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21UxT14235687910(c)T1Ux2UR0(d)（c）全波电压输出1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21UxT14235687910(c)T1Ux2UR0(d)（d）全波电流输出1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21UxT14235687910(c)T1Ux2UR0(d)图（a）、（c）适用于交流阻抗负载，图（b）、（d）适用于低阻抗负载，R0用于调整零点残余电压。从图（c）可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8。（c）全波电压输出1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21UxT14235687910(c)T1Ux2UR0(d)整流电路的输出电压为22468UUU当衔铁在零位时，U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24U68，则U20；而当衔铁在零位以下时，U24U68，则U20。U2的正负表示衔铁位移的方向。差动整流电路结构简单,不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响,分布电容影响小和便于远距离传输等，获得广泛应用。R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1－＋us1CR＋－us2RLM＋－u22Ruo(b)－＋us1C＋－us2RLM(c)DRRD＋－u21OOuoA(2)相敏检波电路相敏检波电路VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电桥。输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压，P.67)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。oUOL0LoUTUCL(a)(b)R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1－＋us1CR＋－us2RLM＋－u22Ruo(b)－＋us1C＋－us2RLM(c)DRRD＋－u21OOuoAoUOL0LoUTUCL(a)(b)参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。us的幅值要远大于输入信号u2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，us和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，保证二者同频同相（或反相）。R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1－＋us1CR＋－us2RLM＋－u22Ruo(b)－＋us1C＋－us2RLM(c)DRRD＋－u21OOuoAoUOL0LoUTUCL(a)(b)波形图（a）被测位移变