传感器9-3.2-差动变压器.ppt

Sensor & Detecting Technology,主要内容 3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电容传感器 3.4 电涡流式传感器,第三章 变阻抗式传感器原理与应用,3.2 差动变压器,互感式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。 差动变压器式传感器次级绕组用差动形式 结构：变隙式、变面积式、螺线管式 优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠,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,3.2 差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,由衔铁、初级线圈、次级线圈、线圈框架组成。 W1a及W1b为初级绕组， W2a及W2b为次级绕组， C为衔铁。,为反映差值互感，将两个初级绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压U1 两个次级绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电势U2。,1. 工作原理,3.2 差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,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ab，互感MaMb，两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压U2=e2a-e2b0，即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。,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,2. 输出特性,在忽略铁耗（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下等效电路。 r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a , r2b与L2b，分别为W1a , W1b , W2a, W2b绕组的电阻与电感。,3.2 差动变压器,当r1aL1a，r1bL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，得变隙式差动变压器输出电压U2的表达式，即,分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因a=b=0， 则U2=0。 如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动（假设向上移动为正）时， 则有a=0-， b=0+，代入上式可得,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,上式表明：变压器输出电压与衔铁位移量/0成正比。 “”号的意义:当衔铁向上移动时，/0定义为正，变压器输出电压与输入电压Ui反相（相位差180）； 当衔铁向下移动时，/0则为-|/0|，表明Uo与Ui同相。,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 差动变压器,变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为,3.2.1 变隙式差动变压器, 首先，供电电源U1要稳定（获取稳定的输出特性）；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。 增加W2/W1的比值和减小0都能使灵敏度K值提高。（ W2/W1影响变压器的体积及零点残余电压。一般选择传感器的0为0.5 mm。）,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,变隙式差动变压器输出电压U2与位移的关系曲线。,零点残余电压：差动变压器可动衔铁处在中间位置时，理想条件下U0=0；而实际U0为几mV到几十mV。（严格对称）,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 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,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,1.工作原理,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,1.工作原理,两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,1.工作原理,当初级绕组加以激励电压U时, 根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b 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M1=M2。 根据电磁感应原理, 将有E2a=E2b。 由于变压器两次级绕组反相串联, 因而Uo=E2a-E2b=0， 即差动变压器输出电压为零。,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。 反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压不等于零。 把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。 基波产生的主要原因是： 传感器的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，因此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（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。磁化曲线是表示物质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,2. 基本特性,根据差动变压器等效电路。 当次级开路时,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为,由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,上式说明，当激磁电压的幅值和角频率、 初级绕组的电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。 只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。,输出电压的有效值为,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器, 活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,Uo=0, 活动衔铁向上移动时,M1 =M+M M2 =M-M,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器, 活动衔铁向下移动时,M1 =M-M， M2 =M+M,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3. 主要性能 （1）灵敏度,差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以(V/mm)/V表示。,OA段: kE随f的增加而增加 AB段：kE 趋于定值。 BC段：铁芯有效阻值增大，铁芯发热，kE随f的增加而下降。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,（2）线性度,线性度: 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。 影响差动变压器线性度的因素: 骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度: 取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中频。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,4. 零点残余电压及消除方法,零点残余电压危害： 使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制分辨力的提高。 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,4. 零点残余电压及消除方法,产生零点残余电压的原因： （1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。 （2）由于铁芯（导磁材料）的磁化曲线的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,（1）差动变压器的输出是交流电压(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) （2）测量值中将包含零点残余电压,为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，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。,3.2.2 螺线管式差动变压器,5. 转换电路,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,5. 转换电路,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,5. 转换电路,从图（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电压是U24，流经电容C2的电压U68， 故整流电路的输出电压为,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,5. 转换电路,当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24 U68 ，则U2 0；而当衔铁在零位以下时， 则有U24 U68，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 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,3.2 差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.3 差动变压器应用,可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 ,测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连