3.2 差动变压器

capacitanceinductanceresistancedifferentialtransformereddycurrent返回3.2差动变压器差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。变隙式变面积式螺线管式下一页返回(a)、(b)变隙式差动变压器；(c)、(d)螺线管式差动变压器；(e)、(f)变面积式差动变压器上一页返回下一页差动变压器3.2.1变隙式差动变压器3.2.2螺线管式差动变压器3.2.3差动变压器应用上一页返回下一页3.2.1变隙式差动变压器当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化上一页返回下一页两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙为δa0=δb0=δ0两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。0222baeeU0222baeeU1.工作原理上一页返回下一页２.输出特性.112.2UWWUabab上一页返回下一页如果被测体带动衔铁移动01122UWWU01122UWWUK图3.2.3变隙式差动变压器输出特性１理想特性；２实际特性上一页返回下一页（１）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值;（２）增加W2/W1的比值和减少δ0都能使灵敏度K值提高;（３）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的;（４）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点;（５）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。３.２.２螺线管式差动变压器1.工作原理2.基本特性3.主要性能4.零点残余电压及消除方法5.转换电路上一页返回下一页１.工作原理１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组1初级线圈；2次级线圈；3衔铁在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为1111LjReIω—激励电压的角频率；e1—激励电压的复数值；根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为112IMjEa122IMjEb11121222LjrUMMjeeUBA图3.2.6差动变压器输出电压特性曲线上一页返回下一页３.主要性能（1）灵敏度（2）线性度上一页返回下一页灵敏度与线性度差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以400Hz~10kHz为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。例：欲测量20mm2mm轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜？当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。0e2x-xe204.零点残余电压及消除方法零点残余电压产生原因：①基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。②高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。4.零点残余电压及消除方法消除零点残余电压方法：1．从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。2．选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性补偿零点残余电压的电路上一页返回下一页5.转换电路能辨别移动方向消除零点残余电压（1）差动整流电路（2）相敏检波电路（3）直流差动变压器电路上一页返回下一页（1）差动整流电路(a)、(b)适用于高阻抗负载(c)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调整零点残余电压。上一页返回下一页全波整流电路和波形图衔铁在零位以下衔铁在零位以上衔铁在零位(a)～e1RRcabhgfdeUSCeabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd(b)（2）相敏检波电路（a）相敏检波电路原理图；（b）us、u2为正半周时等效电路；(c)us、u2为负半周时等效电路上一页返回下一页相敏检波电路波形(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形上一页返回下一页（3）直流差动变压器电路应用场合：需要远距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器，且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合。上一页返回下一页3.2.3差动变压器应用1.力和力矩的测量2.微小位移的测量3.压力测量4.加速度传感器上一页返回下一页1.力和力矩的测量1－线圈2－衔铁3－弹性元件优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。上一页返回下一页2.微小位移的测量1－测端2－防尘罩3－轴套4－圆片簧5－测杆6－磁筒7－磁芯8－线圈9－弹簧10－导线上一页返回下一页3.压力测量上一页返回下一页V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路～220V4.加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.1～5)mm，振动频率为(0～150)Hz。测量振动与加速的电感传感器结构图。衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)～220V加速度a方向a输出1211弹性支承2差动变压器采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。5.液位测量传感器