實(shí)驗(yàn)五差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)五 差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解差動(dòng)變壓器的工作原理和特性。二、基本原理差動(dòng)變壓器的工作原理是電磁互感原理。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖51所示，由一個(gè)一次繞組1和二個(gè)二次繞組2、3及一個(gè)銜鐵4組成。差動(dòng)變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于把二個(gè)二次繞組反向串接（同名端相接），以差動(dòng)電勢(shì)輸出，所以把這種傳感器稱(chēng)為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱(chēng)差動(dòng)變壓器。當(dāng)差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖52所示。圖中U1為一次繞組激勵(lì)電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個(gè)二次繞組間的互感：L1、R1

2、分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個(gè)二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個(gè)二次繞組的有效電阻。對(duì)于差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感相同，因而由一次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接，所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21，這時(shí)互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。 圖51差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖52差動(dòng)變壓器的等效電路圖在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動(dòng)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，

3、所以輸出電動(dòng)勢(shì)反相。因此通過(guò)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖52可以看出一次繞組的電流為： 二次繞組的感應(yīng)動(dòng)勢(shì)為：  由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動(dòng)勢(shì)為： 其有效值為：差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線(xiàn)如圖53所示。圖中E21、E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E2為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實(shí)線(xiàn)表示理想的輸出特性，而虛線(xiàn)部分表示實(shí)際的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對(duì)稱(chēng)以及鐵心位置等因素所造成的。零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，給測(cè)量帶來(lái)誤差，此值的大小是衡

4、量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)可采取以下方法：圖53  差動(dòng)變壓器輸出特性1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線(xiàn)圈電氣參數(shù)及磁路的對(duì)稱(chēng)。磁性材料要經(jīng)過(guò)處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。 3、采用補(bǔ)償線(xiàn)路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。圖54是其中典型的幾種減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路。在差動(dòng)變壓器的線(xiàn)圈中串、并適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整W1、W2時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。(a) (b) (c) 圖54  減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)電路簡(jiǎn)單的原理說(shuō)明：差動(dòng)變壓器

5、由一只初級(jí)線(xiàn)圈和二只次線(xiàn)圈及一個(gè)鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實(shí)驗(yàn)采用三段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)差動(dòng)變壓器隨著被測(cè)體移動(dòng)時(shí)差動(dòng)變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈之間的互感發(fā)生變化促使次級(jí)線(xiàn)圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生變化，一只次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)增加，另一只感應(yīng)電勢(shì)則減少，將兩只次級(jí)反向串接（同名端連接），就引出差動(dòng)電勢(shì)輸出。其輸出電勢(shì)反映出被測(cè)體的移動(dòng)量。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件單元主機(jī)箱中的±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動(dòng)變壓器、差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、雙蹤示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、將差動(dòng)變壓器和測(cè)微頭安裝在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓闹Ъ茏?，差?dòng)變壓器的原理圖已印刷在實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳希琇1為初

6、級(jí)線(xiàn)圈；L2、L3為次級(jí)線(xiàn)圈；號(hào)為同名端，如下圖55。 圖55 差 動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)安裝、接線(xiàn)圖2、按圖55接線(xiàn)，差動(dòng)變壓器的原邊的激勵(lì)電壓必須從主機(jī)箱中音頻振蕩器的Lv端子引入，檢查接線(xiàn)無(wú)誤后合上總電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為45KHz，調(diào)節(jié)輸出幅度峰峰值為Vp-p2V（用示波器監(jiān)測(cè)）。3、調(diào)節(jié)變壓器鐵芯大約處在變壓器的中間位置先調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，讓測(cè)微頭的起始刻度大約處在10mm 附近的合適位置，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)微頭向左右兩個(gè)方向都有充裕的位移距離；并用數(shù)字示波器的第二通道（探頭設(shè)在1X位置，并在通道菜單里把倍乘數(shù)也設(shè)為1X）監(jiān)測(cè)電路的3、4端點(diǎn)輸出信號(hào)波形的電壓；然后松開(kāi)測(cè)微頭的安裝緊

7、固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套（也就是移動(dòng)整個(gè)測(cè)微頭，而不是只調(diào)節(jié)微分筒，這樣做是為了保證測(cè)微頭的起始刻度大約處在10mm 的合適位置），通過(guò)觀(guān)測(cè)示波器第二通道顯示的輸出波形，當(dāng)輸出信號(hào)波形的Vp-p比較小時(shí)，則變壓器鐵芯接近變壓器的中間位置，然后擰緊緊固螺釘。4、微調(diào)變壓器鐵芯至變壓器的中間位置并測(cè)量零點(diǎn)殘余電壓先把數(shù)字示波器的采樣模式設(shè)置為16次的平均值采樣。緊接上一步驟，仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒使示波器第二通道輸出波形的Vp-p達(dá)到最小值，則變壓器鐵芯處在了變壓器的中間位置，記錄下此時(shí)輸出波形的最小Vp-p值（不大于3mV），此最小Vp-p就是差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓；并把此位置定為位移的相對(duì)

8、零點(diǎn)，記住此位置的刻度值（如果此時(shí)微分筒和軸套的刻度線(xiàn)沒(méi)對(duì)齊，可以微調(diào)對(duì)齊以得到比較準(zhǔn)確的起始刻度，方便下面的位移讀數(shù)）。5、差動(dòng)變壓器的位移實(shí)驗(yàn)這時(shí)變壓器鐵芯可以左右位移（0點(diǎn)左邊為負(fù)方向，右邊為正方向），選擇一個(gè)方向，從Vp-p最小處開(kāi)始旋動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔0.2mm（取15個(gè)點(diǎn)，共3mm）從示波器上讀出一個(gè)輸出電壓Vp-p值，填入下表5；然后將測(cè)位頭退回到Vp-p最小處開(kāi)始反方向做相同的位移實(shí)驗(yàn)（也取15個(gè)點(diǎn)，共3mm；兩個(gè)方向加上零點(diǎn)總共要讀取31個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中請(qǐng)注意：（1）從Vp-p最小處決定位移方向后，測(cè)微頭只能按所定方向調(diào)節(jié)位移，中途不允許回調(diào)，否則，會(huì)由于測(cè)微頭

9、存在機(jī)械回差而引起位移誤差；所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)每點(diǎn)位移量須仔細(xì)調(diào)節(jié)，絕對(duì)不能調(diào)節(jié)過(guò)量，如過(guò)量則只好回到零點(diǎn)重新做實(shí)驗(yàn)。（2）當(dāng)一個(gè)方向行程實(shí)驗(yàn)結(jié)束，做另一方向時(shí)，測(cè)微頭回到Vp-p最小處時(shí)它的位移讀數(shù)有變化是正常的（實(shí)際上很難回到原來(lái)的起始位置），做實(shí)驗(yàn)時(shí)位移取相對(duì)變化量0.2mm為定值，只要中途測(cè)微頭不回調(diào)就不會(huì)引起位移誤差。（3）在Vp-p最小處可以假設(shè)此處的刻度為0,不用記錄實(shí)際的刻度值，這樣比較方便靈敏度和非線(xiàn)性誤差的計(jì)算。6、根據(jù)表5畫(huà)出實(shí)驗(yàn)的XVop-p曲線(xiàn)，并與圖53差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線(xiàn)做比較，分析評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。7、以位移零點(diǎn)為起點(diǎn)，計(jì)算位移距離分別為1mm、1mm及3mm、3mm

10、時(shí)的靈敏度和非線(xiàn)性誤差（計(jì)算靈敏度和非線(xiàn)性誤差時(shí)可以忽略零點(diǎn)殘余電壓）。X(mm)-3-2.8-2.6-2.4-2.2-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20V(mv)107098488880871663655648040031824616691.21861040X(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.83V(mv)84.810216426033844053262872684894410301120122013108、實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，整理好實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)物品。表5 （請(qǐng)自制合適的表格用于填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）五.思考題查

11、閱傳感器相關(guān)理論知識(shí)，說(shuō)明什么是差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)？如何產(chǎn)生？如何減少零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)和它的影響？結(jié)合你在本次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的多少，以及靈敏度和非線(xiàn)性誤差的計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)所用傳感器的性能。在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡旋扭，使輸出最小，這一最小電壓就是它的零點(diǎn)殘余電壓。是由于器件的各種參數(shù)不對(duì)稱(chēng)造成的。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因大致有如下兩點(diǎn)：（1）由于兩電感線(xiàn)圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體幾何尺寸不完全對(duì)稱(chēng)，在兩電感線(xiàn)圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成零點(diǎn)殘余電壓的基波分量。（2）由于傳感器導(dǎo)磁材料磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性（如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵(lì)電流與磁通波形不一致，從而形成

12、零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波分量。殘余電動(dòng)勢(shì)大概為2mv左右由上圖可知靈敏度和非線(xiàn)性誤差分別為傳感器性能：六、誤差分析分析本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差的各種原因和減少誤差的方法。1.調(diào)零沒(méi)有調(diào)準(zhǔn)，示波器比較落后。2.傳感器存在非線(xiàn)性誤差3.溫度影響了結(jié)果4.測(cè)微頭有誤差實(shí)驗(yàn)六 激勵(lì)頻率對(duì)差動(dòng)變壓器特性的影響一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獬跫?jí)線(xiàn)圈激勵(lì)頻率對(duì)差動(dòng)變壓器輸出性能的影響。二、基本原理差動(dòng)變壓器的輸出電壓的有效值可以近似用關(guān)系式：=表示,式中LP、RP為初級(jí)線(xiàn)圈電感和損耗電阻，、為激勵(lì)電壓和頻率，M1、M2為初級(jí)與兩次級(jí)間互感系數(shù)，由關(guān)系式可以看出，當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈激勵(lì)頻率太低時(shí)，若RP22LP2，則輸出電

13、壓Uo受頻率變動(dòng)影響較大，且靈敏度較低，只有當(dāng)2LP2RP2時(shí)輸出Uo與無(wú)關(guān)，當(dāng)然過(guò)高會(huì)使線(xiàn)圈寄生電容增大，對(duì)性能穩(wěn)定不利。三、需用器件與單元主機(jī)箱、差動(dòng)變壓器、差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、雙蹤示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、差動(dòng)變壓器及測(cè)微頭的安裝、接線(xiàn)同實(shí)驗(yàn)五圖55，檢查接線(xiàn)無(wú)誤后，合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)。2、調(diào)節(jié)主機(jī)箱音頻振蕩器LV輸出頻率為2KHZ，Vp-p2V(用示波器監(jiān)測(cè))。調(diào)節(jié)差動(dòng)變壓器的鐵芯大約處在線(xiàn)圈的中心位置，即此時(shí)電路的3、4端點(diǎn)輸出信號(hào)的Vp-p要比較小(用示波器監(jiān)測(cè))。（方法與實(shí)驗(yàn)五步驟3相同，注意調(diào)節(jié)測(cè)微頭的位置大約處在刻度的中間位置，不要太偏向一端。）3、向任一方向調(diào)節(jié)測(cè)微頭

14、讓差動(dòng)變壓器的鐵芯做位移，位移量2.5mm（即是測(cè)微頭旋動(dòng)5圈），使差動(dòng)變壓器有某個(gè)較大的Vp-p輸出，記錄下此Vp-p輸出，并填入表6的第一格。4、在保持位移量2.5mm不變的情況下，改變激勵(lì)信號(hào)（音頻振蕩器）的頻率從3KHz10KHz（激勵(lì)電壓Vp-p2保持不變，可用主機(jī)箱的頻率表監(jiān)測(cè)頻率的變化）時(shí)，記錄差動(dòng)變壓器相應(yīng)輸出的Vp-p值，填入表6。表6F(Hz)2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHz10KHzVpp(mv)226340452554218965238325、根據(jù)表6的數(shù)據(jù)作出差動(dòng)變壓器的幅頻(Vp-p)特性曲線(xiàn)，標(biāo)出大致的諧振點(diǎn)。由圖知

15、K=5kHz時(shí)是位移量2.5mm時(shí)差動(dòng)變壓器的諧振點(diǎn)6、實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，整理好實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)物品。五、思考題 你認(rèn)為檢測(cè)頻率特性對(duì)差動(dòng)變壓器的應(yīng)用有什么意義？在相同位移量的條件下，改變激勵(lì)信號(hào)的頻率，差動(dòng)變壓器輸出的電動(dòng)勢(shì)不同。為了提高差動(dòng)變壓器的靈敏度，需將激勵(lì)信號(hào)的的頻率設(shè)置在差動(dòng)變壓器的諧振點(diǎn)處實(shí)驗(yàn)七 位移實(shí)驗(yàn)中被測(cè)體材質(zhì)對(duì)電渦流傳感器特性影響一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解電渦流傳感器測(cè)量位移的工作原理和特性。2、了解不同的被測(cè)體材料對(duì)電渦流傳感器性能的影響。二、基本原理通過(guò)交變電流的線(xiàn)圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬體處在交變磁場(chǎng)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，金屬體內(nèi)產(chǎn)生電流，該電流在金屬體內(nèi)自行閉合，并呈旋

16、渦狀，故稱(chēng)為渦流。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、線(xiàn)圈激磁電流頻率及線(xiàn)圈與金屬體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分磁場(chǎng)能量，從而改變激磁線(xiàn)線(xiàn)圈阻抗，渦流傳感器就是基于這種渦流效應(yīng)制成的。電渦流工作在非接觸狀態(tài)(線(xiàn)圈與金屬體表面不接觸)，當(dāng)線(xiàn)圈與金屬體表面的距離以外的所有參數(shù)一定時(shí)可以進(jìn)行位移測(cè)量。 渦流效應(yīng)與金屬導(dǎo)體本身的電阻率和磁導(dǎo)率有關(guān)，因此不同的材料就會(huì)有不同的性能。三、需用器件與單元主機(jī)箱、電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉㈦姕u流傳感器、測(cè)微頭、被測(cè)體(鐵圓片、鋁圓片和銅圓片)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、觀(guān)察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)平繞線(xiàn)圈。測(cè)微頭的讀數(shù)與使用可參閱實(shí)驗(yàn)四；根據(jù)圖7安

17、裝電渦流傳感器和測(cè)微頭，并在測(cè)微頭上套上鐵圓片被測(cè)體，按下圖接線(xiàn)。圖7 電渦流傳感器安裝、按線(xiàn)示意圖2、 移動(dòng)測(cè)微頭使鐵被測(cè)體比較靠近傳感器（但不接觸），擰緊測(cè)微頭緊固螺釘，然后調(diào)節(jié)測(cè)微頭使鐵被測(cè)體與傳感器端部輕輕接觸（但不能緊壓），測(cè)微頭所處位置當(dāng)做零坐標(biāo)起點(diǎn)（不記錄具體刻度）。將電壓表顯示選擇開(kāi)關(guān)切換到20V檔，檢查接線(xiàn)無(wú)誤后開(kāi)啟主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)，從電壓表記錄輸出電壓。 3、接著旋動(dòng)測(cè)微頭，讓鐵被測(cè)體逐漸離開(kāi)電渦流傳感器，每隔0.1mm讀一個(gè)輸出電壓值，共測(cè)量5mm有效的位移距離，將數(shù)據(jù)列入表71。（鐵被測(cè)體的前面一小段位移輸出讀數(shù)都是0，忽略不計(jì)，從第一個(gè)非0輸出開(kāi)始讀數(shù)。）表71 被測(cè)體

18、為鐵圓片時(shí)位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)（請(qǐng)自制合適的表格用于填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）由圖知，中心點(diǎn)大概在3.9處4、將被測(cè)體換成銅圓片，并把測(cè)微頭的刻度退回到較前的位置，重復(fù)鐵圓片測(cè)量步驟（從0位移的第一個(gè)輸出電壓開(kāi)始讀數(shù)），進(jìn)行銅被測(cè)體的位移特性測(cè)試，將數(shù)據(jù)列入表72。表72 被測(cè)體為銅圓片時(shí)的位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)（請(qǐng)自制合適的表格用于填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）故可知中心點(diǎn)大概在1.6,約為0.0115、將被測(cè)體換成鋁圓片，并把測(cè)微頭的刻度退回到較前的位置，重復(fù)鐵圓片出來(lái)步驟（從0位移的第一個(gè)輸出電壓開(kāi)始讀數(shù)），進(jìn)行鋁被測(cè)體的位移特性測(cè)試，將數(shù)據(jù)列入表73。表73 被測(cè)體為鋁圓片時(shí)的位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)（請(qǐng)自制合適的表格用于填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）由圖知中心點(diǎn)大概為1.36、根據(jù)以上三個(gè)表中的數(shù)據(jù)，畫(huà)出被測(cè)體分別為鐵、銅、鋁的XV曲線(xiàn)，根據(jù)不同曲線(xiàn)找出各自最理想的線(xiàn)性區(qū)域（大約1mm左右）及位移測(cè)量時(shí)的最佳工作點(diǎn)(即曲線(xiàn)線(xiàn)性段的中點(diǎn))，并計(jì)算在線(xiàn)性段內(nèi)測(cè)量范圍為1mm和以線(xiàn)性段為中心左右延伸至3mm時(shí)這兩個(gè)測(cè)量線(xiàn)段的位移靈敏度和線(xiàn)性度。（注：如果線(xiàn)性段在測(cè)量數(shù)據(jù)的開(kāi)頭或結(jié)尾，則3mm的長(zhǎng)度由線(xiàn)性段向一個(gè)方向延伸截取。從經(jīng)驗(yàn)上總結(jié)得出：鐵被測(cè)體的線(xiàn)性區(qū)在數(shù)據(jù)的中間段，銅和鋁被測(cè)體的線(xiàn)性區(qū)都是在數(shù)據(jù)的前段。）7、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)不同被測(cè)