成信工传感器与检测技术课件3.2 差动变压器

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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。1.工作原理上一页返回下一页２.输出特性

上一页返回下一页如果被测体带动衔铁移动图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结论：（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。上一页返回下一页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的次级绕组上一页返回下一页图3.2.6差动变压器输出电压特性曲线上一页返回下一页２.基本特性当次级开路时有,初级线圈激励电流根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则输出电压有效值上一页返回下一页基本特性分析：（1）当活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M则U2=0（2）当活动衔铁向W2a方向移动时M1=M+ΔM,M2=M-ΔM故（3）当活动衔铁向W2b方向移动时M1=M-ΔM，M2=M+ΔM故上一页返回下一页３.主要性能（1）灵敏度（2）线性度上一页返回下一页（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。理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源激励频率f.图3.2.7KE与f关系曲线上一页返回下一页提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。上一页返回下一页（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，配用相敏检波式测量电路上一页返回下一页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，限制着分辨力的提高。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。上一页返回下一页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）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。上一页返回下一页减小零点残余电压措施：（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。上一页返回下一页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（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