城市轨道交通传感器与检测技术（第二版）课件：差动变压器式位移传感器

差动变压器式位移传感器

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、性能可靠在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的位移，具有结构简单、灵敏度高、测量范围广、性能可靠等优点。

螺线管式差动变压器的结构由铁芯、衔铁和线圈三部分组成，一次绕组（绕组的匝数为P）位于中间，两个二次绕组（反向串接，绕组匝数分别为S1和S2

位于边缘，在绕组中央插入圆柱形衔铁。

一.

螺线管式结构螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。其结构虽有很多形式，但其工作原理基本相同。通常采用的是二节式和三节式两类。二.

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。（1）假如在工艺上保证变压器的结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，差动变压器的输出为零；（2）当活动衔铁向上移动时，大于零；（3）当活动衔铁向下移动时，小于零；随着衔铁位移x的变化，差动变压器式位移传感器的输出电压

也发生变化。实际上，当衔铁处于中心位置时，差动变压器式位移传感器的输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不一致。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时应设法减小它。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根据差动变压器等效电路，当二次侧开路时一次绕组中的电流为：U——初级线圈激励电压；w——激励电压U的角频率；

I1——初级线圈激励电流；

r1、L1——初级线圈电阻和电感。.i

三.

基本特性差动变压器的输出电压是交流信号，它输出的有效值与铁芯位移成正比，它的相位与铁芯位移的方向有关。

如果用交流电压表进行测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。

此外差动变压器的输出总有零点残余电压输出，这就造成零点附近的小位移测量误差大，线性差。

为此常利用相敏检波电路、差动整流电路来解决此问题。

四.

测量电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压和同频，经过移相器使和保持同相或反相，且满足＞＞。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+1.差动相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+

1)当衔铁在中间位置时，位移x（t）=0，传感器输出电压=0,只有起作用。(1)正半周时因为是从中心抽头，所以u１=

u２，故i3=

i4

。流经RL的电流为

i０=i４－i３=０i4i3u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+-(2)负半周时同理可知i１=

i２，所以流经RL的电流为i０=i１－i２=０i1i2u1u2+R-RLRD3D2D1D4RRT1T2-+D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2-+-+i42)当衔铁在零位以上时，位移x(t)>0，Ｕ１与Ｕ２同频同相

(1)正半周时

i3故i４＞

i３，流经RL的电流为

i０=i４－i３＞０(2)负半周时故i１＞

i２，流经RL的电流为

i０=i１－i２＞０i2i1D2u1u2+R-RLRD3D1D4RRT1T2-+e1e2+-+_(1)Ｕ２正半周Ｕ１负半周故i４＜

i３。流经RL的电流为

i０=i４－i３＜０3)当衔铁在零位以下时，位移x(t)＜0，Ｕ１与Ｕ２同频反相

i4i3D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2+-+_D2u1u2+R-RLRD3D1D4RRT1T2-+e1e2-+-+(2)Ｕ２负半周Ｕ１正半周时：i１＜

i２。流经RL的电流为i０=i１－i２<０,表示i0的方向也与规定正方向相反。i2i1结论：１．衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0。２．衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。３．衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。相敏检波后的输出特性曲线

经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线如图，残存电压自动消失。x0UL差动整流电路能够消除零点残余电压，它把两个二次输出电压分别整流，然后将经过整流的电压或电流的差值作为输出。2.差动整流电路差动整流电路简单，不需要参考电压，不需要考虑相位调整和零位电压影响，对感应和分布电容影响不敏感，经差动整流后变成直流输出便于远距离输送。五.

差动变压器式位移传感器的应用差动变压器式位移传感器可以直接用于位移测量，也可测量与位移有关的任何机械量，如力、力矩、压力、压差、振动、加速度、应变、液位等。

测量时，将悬臂弹簧梁底座和差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的一端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁振动时，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以Δx（t）振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。

1.测量振动测量振动物体的频率和振幅时，信号源频率必须大于振动频率的10倍，这样测定的结果是十分精确的，可测量振动的振幅为0.1～5.0m，振动物体的频率一般为0～150Hz。