差動(dòng)式傳感器輸出特性探討畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 差動(dòng)式傳感器輸出特性探討姓名： 學(xué)號(hào)：0722216 班級(jí)：機(jī)制（2）班 2010/12/1差動(dòng)式傳感器輸出特性探討摘要：差動(dòng)變壓器式傳感器，是將被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈互感量變化的摹王這種傳感器主要是根據(jù)變壓器的原理制成的，由于各類傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。廣泛就用于位移量的測(cè)量本文通過對(duì)差動(dòng)變壓器式傳感器的輸出特性，結(jié)構(gòu)原理，濕度特性、頻率特性、殘余電壓等電氣特性的分析，為傳感器的設(shè)計(jì)選型提供了依據(jù)關(guān)鍵詞：變壓器、傳感器、特性、線圈、鐵芯一概述變壓器式傳感器也稱為互感式傳感器，是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換置。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接，所以叫做差動(dòng)

2、變壓器式傳感器，差動(dòng)變壓器主要由一個(gè)線框和一個(gè)鐵心組成。在線框上繞一組初級(jí)線圈作為輸入線圈，在周一線框上另繞兩組次級(jí)線圈作為輸出線圈。并在線圈中央圓柱孔中放入鐵心。差動(dòng)變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)有變隙式、變面積式和螺線管式等。其工作原理基本一樣。即將鐵芯的位移轉(zhuǎn)換成與該電壓信號(hào)。從而便于遠(yuǎn)距離顯示、記錄和自動(dòng)控制。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：工作中沒有活動(dòng)電接觸點(diǎn)，因而更加可靠。(2)靈敏度高、分辨力大：能測(cè)出001 m甚至更小的機(jī)械位移變化而且傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，有利于信號(hào)的傳輸和放大。(3)重復(fù)性好線性度優(yōu)良。正因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)上，尤其在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域、糧食處理中心等自動(dòng)控制系統(tǒng)

3、中應(yīng)用十分廣泛。二 變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)原理和輸出特性差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖l所示。初級(jí)線圈，次級(jí)線圈1、2。當(dāng)在初級(jí)線圈通人交流電流時(shí)兩個(gè)同參數(shù)的次級(jí)線圈1、2中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)輸出。其大小與線圈之間的互感成正比。 圖2差動(dòng)變壓器式傳感器具體應(yīng)用時(shí)將傳感器的次級(jí)線圈的輸出端反向串聯(lián)，如圖2，其輸出特性如圖3所示。當(dāng)初級(jí)繞組1加以激勵(lì)電壓1時(shí)，根據(jù)變壓器的丁作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組中2a、2b便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)2a、2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)m1=m2 。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有2a=2b由于傳感器的兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，因而2=2

4、a-2b=0，即差動(dòng)變壓器的輸出電壓為零：當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)時(shí)，南于受磁阻的影響，2a中的磁通將大于2b ，使得m1m2，因而2a增加，2b減小。反之，2a 減小，2b增加，因此，無論鐵芯如何移動(dòng)，都會(huì)有2=2a-2b0，因此，兩次級(jí)線圈的互感之差或兩次級(jí)線圈的輸出感應(yīng)電勢(shì)差值就能反映出被測(cè)位移。工作中，由于差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流量，其幅值與鐵芯位移成正比，故從傳感器的輸出電壓上，只能反映出鐵芯位移的大小，不能反映位移的極性，其輸出特性如圖3所示。三、差動(dòng)變壓器式傳感器的理論特性分析由于差動(dòng)變壓器式傳感器在實(shí)際工作中，氣隙作為變壓器的一部分，隨鐵芯的位移在變化：而氣隙的變化又能引起氣隙導(dǎo)磁場(chǎng)和

5、磁阻等一系列參數(shù)的變化，所以，從理論上要想準(zhǔn)確計(jì)算這些影響和變化等是非常困難的，只能作定性分析或標(biāo)定處理。本文以理想差動(dòng)變壓器為研究模型，只對(duì)其基本電氣特性進(jìn)行分析。(一)差動(dòng)變壓器式傳感器的電路分析傳感器工作時(shí)。其磁滯損耗、渦流損耗及寄生電容等會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響，為了能說明其原理，當(dāng)忽略其影響時(shí)，可將它看作一個(gè)理想的差動(dòng)變壓器，其等效電路如圖4所示。根據(jù)差動(dòng)變壓器的實(shí)際情況，當(dāng)次級(jí)線圈開路時(shí)，即式中1激勵(lì)電壓1的角頻率；1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；初級(jí)線圈激勵(lì)電流；1、初級(jí)線圈直流電阻和電感。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為： 式中：m1、m2分別為初級(jí)繞組與兩次級(jí)繞組的互感系數(shù)

6、。由于次級(jí)兩繞組反向串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開路，則由以上關(guān)系可得：輸出電壓的有效值：三種情況進(jìn)行分析（1）活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)（2）活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)（3）活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)分析此表達(dá)式，輸出電壓 是互感量 函數(shù)，而互感量肭變化是位移的單值函數(shù)，所以通過 的變化就能夠測(cè)出位移的大小。同時(shí)通過電路的變換，還可以測(cè)出其極性。(二)差動(dòng)變壓器式傳感器的殘余電壓所謂殘余電壓，即當(dāng)差動(dòng)變壓器的鐵芯位于傳感器的中間位置時(shí)，差動(dòng)傳感器的輸出電壓并不為零，我們將差動(dòng)傳感器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。殘余電壓產(chǎn)生的原因主要是以下幾方面原因：磁性材料的非線性；兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不完全對(duì)稱；以及電源

7、電壓波形失真及含有噪聲等。殘余電壓的波形也非常復(fù)雜，主要由基波和高次諧波(主要是三次諧波)組成。實(shí)際使用中，不論怎樣調(diào)整鐵芯位置，兩次級(jí)線圈中的感應(yīng)電勢(shì)均不能完全抵消。殘余電壓一般在幾十毫伏以下，但它的存在使傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過零點(diǎn)，造成理論特性和實(shí)際特性不完全一致。使測(cè)量存在一個(gè)不靈敏區(qū)，降低測(cè)量精度。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小。為了達(dá)到能辨別鐵芯移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常采用相敏檢波電路和低通濾波電路等補(bǔ)償電路。使差動(dòng)變壓器式傳感器輸出直流電壓。如圖5。（三）差動(dòng)變壓器式傳感器的頻率特性由有效值公式可以看出，當(dāng)初級(jí)電壓u1一定時(shí)，u2是頻率f的單值函數(shù)，隨激勵(lì)頻率f

8、的變化，輸出電壓u2也發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1(實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入電壓為u1 =2v)，變化的曲線見圖6、圖7所示。從圖6中可以看出負(fù)載開路時(shí)電壓與激勵(lì)頻率間的關(guān)系，低頻時(shí)(300 hz)，輸出電壓與頻率近似為線性關(guān)系，頻率越高，輸出越大；當(dāng)激勵(lì)頻率高于400hz時(shí)，輸出電壓不再變化，基本接近恒定值；從圖7中可以看出當(dāng)有負(fù)載時(shí)電壓與激勵(lì)頻率間的關(guān)系，低頻時(shí)和負(fù)載開路時(shí)電壓與激勵(lì)頻率間的關(guān)系基本接近；激勵(lì)頻率高于400hz時(shí)，輸出電壓隨激勵(lì)頻率的增加而下降，并且頻率越高，下降幅度越大。近乎一種曲線關(guān)系。四、結(jié)語差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于測(cè)量位移，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量。從表面上看，雖然差動(dòng)變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但由于工作中影響因素較多，并且傳感器本身在技術(shù)上和工藝上也比較復(fù)雜，所以在實(shí)際使用中，必須根據(jù)不同環(huán)境情況，合理選擇傳感器的電氣參數(shù)和補(bǔ)償電路，從而提高測(cè)量精度。參考文獻(xiàn)l沈聿農(nóng)傳感器及應(yīng)用技術(shù)m北京：化學(xué)工業(yè)