差動(dòng)變壓器試驗(yàn)?zāi)K-山東大學(xué)課程中心

1、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)多層次、模塊化實(shí)驗(yàn)體系研究與實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)山東大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件建設(shè)項(xiàng)目差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)K基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握差動(dòng)變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證差動(dòng)變壓器的基本特性。3 掌握差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘壓的產(chǎn)生原因及補(bǔ)償方法， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘壓的補(bǔ)償。4 掌握差動(dòng)變壓器的靜態(tài)標(biāo)定方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行差動(dòng)變壓器的靜態(tài)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)原理差動(dòng)變壓器式電感傳感器簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器， 它將位移量轉(zhuǎn)換為線圈間互感的變化。 它實(shí)質(zhì)上是種變壓器， 主要由原邊繞組、副邊繞組和鐵芯組成。 它往往做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，副邊兩個(gè)繞組進(jìn)行“差接” 。在其原邊繞組施加激勵(lì)電壓后，由于

2、互感系數(shù)變化，副邊差接繞組的感應(yīng)電勢(shì)將相應(yīng)地發(fā)生變比。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單測(cè)量精度較高、測(cè)量范圍寬，作為位移傳感器得到廣泛應(yīng)用。其中螺管式差動(dòng)變壓器是差動(dòng)變壓器的主要結(jié)構(gòu)形式，如圖 1 所示圖 1 螺管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖差動(dòng)變壓器式電感傳感器主要由線圈、鐵芯組成。線圈由初級(jí)線圈(又稱 次線圈、原邊繞組) 和次級(jí)線圈 (又稱二次線圈、副邊繞組 )組成。線圈中插入圓柱形鐵心b。圖中所示為三段式差動(dòng)變壓器， 即線圈骨架分成三段，中間為初級(jí)線圈，上下兩側(cè)為次級(jí)線圈。線圈繞制方式多為初級(jí)在內(nèi)，次級(jí)在外。差動(dòng)變壓器的電氣連接方法如圖2 所示，次級(jí)線圈S1 和 S2 反極性串聯(lián)。圖 2 差動(dòng)變壓器的電氣連接方

3、法差動(dòng)變壓器的工作原理可以用變壓器原理解釋?zhuān)煌氖且话阕儔浩鞯拇怕肥情]合的、而差動(dòng)變壓器的磁路是不閉合的。一般變壓器的初次級(jí)間的互感系數(shù)是常數(shù)，差動(dòng)變壓器的初次級(jí)之間的互感是隨銜鐵移動(dòng)而作相應(yīng)的變化。差動(dòng)變壓器的工作正是建立在互感變化的基礎(chǔ)上。當(dāng)初級(jí)線圈P 由交流恒壓源E p激勵(lì)后，由于電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)Es1 、Es 2。二者的差值EsEs1Es2，其大小與鐵芯的軸向位移成比例，其相位則取決于鐵心的位移方向，如圖 3 所示。當(dāng)鐵芯位于中間位置時(shí)，Es1Es2 ， Es0 ；當(dāng)鐵芯向上位移時(shí)，Es1Es2 ；當(dāng)鐵芯向下位移時(shí)，Es1Es2 ；隨鐵芯位移量的增大，Es 成比例增

4、大。鐵芯向上位移與向下位移比較，Es 相位相差 180o。圖 3差動(dòng)變壓器輸出特性曲線實(shí)際的差動(dòng)變壓器當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置時(shí)，輸出電壓值不為零，而是E0，稱為零點(diǎn)殘余電壓。 因此差動(dòng)變壓器的實(shí)際輸出特性如圖要有：3(a)中虛線所示。 產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因主1) 由于兩個(gè)次級(jí)線圈的繞制在工藝上不可能完全一致， 因此它們的等效參數(shù) ( 互感、自感和損耗電阻 ) 不可能完全相等。初級(jí)線圈中銅損和鐵損的存在以及匝間寄生電容的存在使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通之間有相位差。上述因素就使兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)不僅數(shù)值不等，并且相位也不相同。這是零點(diǎn)殘余電壓中基波分量產(chǎn)生的原因。2） 由于磁滯損耗和鐵磁飽和的

5、影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不致，導(dǎo)致產(chǎn)生非正弦波磁通，從而在次級(jí)線圈感應(yīng)出非正弦波電勢(shì)，其主要是含三次諧波。這是零點(diǎn)殘余電壓中所含高次諧波產(chǎn)生的原因。零點(diǎn)殘余電壓的存在，使差動(dòng)變壓器在機(jī)械零位附近的靈敏度下降，非線性誤差增大，降低了它在零位附近的分辨率。消除或減小零點(diǎn)殘余電壓般可采用以下方法：1) 設(shè)計(jì)和加工應(yīng)盡量保證線圈和磁路對(duì)稱，結(jié)構(gòu)上可附加磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其次，應(yīng)選用高導(dǎo)磁率、低矯頑磁力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料，并將導(dǎo)磁體加以熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。在選取磁路工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使其不工作在磁化曲線飽和區(qū)。2) 選用合適的測(cè)量電路，如相敏檢波和差動(dòng)整流電路，其直流輸出不

6、僅可以鑒別鐵心位移方向，而且可以減小或消除零點(diǎn)殘余電壓。3) 采用補(bǔ)償電路，如圖 4 所示，為常采用的零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路原理圖。消除零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償電路比較多，但歸納起來(lái)，其思路只有四種：附加串聯(lián)電阻以消除基波同相成分；附加并聯(lián)電阻以消除基波正交成分；附加并聯(lián)電容改變相移，以補(bǔ)償高次諧波分量；附加反饋繞組和反饋電容，以補(bǔ)償基波及高次諧波分量。串聯(lián)電阻的阻值很小，為 0.55，并聯(lián)電阻的阻值為數(shù)十到數(shù)百千歐；并聯(lián)電容的數(shù)值在數(shù)百PF 范圍。 實(shí)際數(shù)值通常由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。圖 4 差動(dòng)變壓器的零位補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)所需部件差動(dòng)變壓器、 音頻振蕩器、 測(cè)微頭、 電橋、差動(dòng)放大器、 移相器、 相敏檢波器、 低通

7、濾波器、直流電壓表、示波器實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量差動(dòng)變壓器的傳感特性：1將音頻振蕩器功率輸出端LV 作為激勵(lì)電源接差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈，差動(dòng)變壓器次級(jí)空載。2將示波器第一通道調(diào)至500mv / 格，第二通道調(diào)至 10mv / 格。第一通道為懸浮工作狀態(tài)，接至初級(jí)線圈；第二通道接至次級(jí)線圈。3將音頻振蕩器輸出頻率調(diào)至4kHz ，幅值調(diào)至 V pp 2V 。4用手提差動(dòng)變壓器銜鐵，觀察示波器第二通道是否能過(guò)零反轉(zhuǎn)，如不能過(guò)零反轉(zhuǎn)， 則說(shuō)明同名端接錯(cuò)了，需改變次級(jí)線圈的串接端子。5旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，帶動(dòng)差動(dòng)變壓器銜鐵運(yùn)動(dòng)，從示波器中讀出次級(jí)線圈輸出電壓的Vpp 值，填入下表。被測(cè)位移 mm輸出電壓 V測(cè)量過(guò)程中注意激

8、勵(lì)電壓與傳感輸出電壓的相位關(guān)系。6 仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭，使傳感輸出波形幅值最低，但無(wú)法調(diào)至零，這就是零點(diǎn)殘壓。從示波器可以看出，它與激勵(lì)電壓之間的相位差約/2，這是基頻分量。7 根據(jù)記錄結(jié)果，以傳感器輸出電壓Vpp 為縱軸、被測(cè)位移為橫軸，畫(huà)出傳感器特性圖，并指出線性測(cè)量范圍。進(jìn)行差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘壓補(bǔ)償：8 按圖 5 接線。將示波器第一通道調(diào)至500mV / 格，第二通道調(diào)至1V/ 格。9 將音頻振蕩器輸出頻率調(diào)至4kHz ，幅值調(diào)至V pp 2V ，差動(dòng)放大器增益調(diào)至100 。10 仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭，使差動(dòng)放大器輸出幅值最低，此乃放大后的零點(diǎn)殘壓。調(diào)整補(bǔ)償電橋網(wǎng)絡(luò)， 使差動(dòng)放大器輸出幅值進(jìn)一步降低

9、，這就是零點(diǎn)殘壓補(bǔ)償。 若補(bǔ)償效果不好，可在電橋交流插口另并聯(lián)一個(gè)數(shù)微法的電容。11 調(diào)整示波器第二通道靈敏度，將補(bǔ)償后的零點(diǎn)殘壓波形與激勵(lì)波形比較。注意：由于補(bǔ)償電路要求差動(dòng)變壓器輸出端必須懸浮， 所以需要利用差動(dòng)放大器將差動(dòng)變壓器次級(jí)雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，以便利用示波器進(jìn)行觀察。圖 5 差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘壓補(bǔ)償進(jìn)行差動(dòng)變壓器靜態(tài)標(biāo)定：12 按圖 6 接線，差動(dòng)放大器增益適度，音頻振蕩器W 端輸出 5kHz ， Vpp 值為 2V。移相器12音頻振蕩器相敏銜鐵低通電壓表W DLV差放W A圖 6 差動(dòng)變壓器靜態(tài)標(biāo)定13 調(diào)節(jié)電橋 W D 、W A 電位器，調(diào)節(jié)側(cè)位投帶動(dòng)銜鐵改變其在線圈中的位

10、置，使系統(tǒng)輸出為零。14 旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭使銜鐵在線圈中上、下有一個(gè)較大的位移，用電壓表和示波器觀察系統(tǒng)輸出是否對(duì)稱，如果不對(duì)稱需反復(fù)調(diào)節(jié)銜鐵位置和電橋、移相器，做到正負(fù)輸出對(duì)稱。15 旋轉(zhuǎn)側(cè)位頭，帶動(dòng)銜鐵向上 5mm ，向下 5mm 移位，每旋轉(zhuǎn) 1 周( 0.5mm ) 記錄一次電壓并填入表格。被 測(cè) 位移 mm輸 出 電壓 V注意事項(xiàng)： 系統(tǒng)的標(biāo)定需要調(diào)節(jié)電橋、移相器、銜鐵三者位置，需發(fā)福調(diào)節(jié)才能做到系統(tǒng)輸出正負(fù)為零并正負(fù)對(duì)稱。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基于差動(dòng)變壓器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)以差動(dòng)變壓器作為傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的固有振動(dòng)頻率，對(duì)該系統(tǒng)被測(cè)振幅與輸出電信號(hào)之間的關(guān)系

11、進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定后的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行振幅測(cè)量并計(jì)算絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差、精度等級(jí)?？捎觅Y源原實(shí)驗(yàn)儀上的所有資源，如差動(dòng)變壓器、音頻振蕩器、電橋、差動(dòng)放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表等；振幅及頻率測(cè)量裝置；示波器。建議實(shí)驗(yàn)步驟1 移開(kāi)圓盤(pán)上測(cè)微頭使圓盤(pán)處于自由可振動(dòng)狀態(tài)。2 低頻振蕩器接入“激振 I”，使圓盤(pán)振動(dòng)。注意保持適當(dāng)?shù)恼穹? 以差動(dòng)變壓器、音頻振蕩器、電橋、差動(dòng)放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表為基本部件，設(shè)計(jì)基于差動(dòng)變壓器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。畫(huà)出電路圖，并按圖組成系統(tǒng)。經(jīng)指導(dǎo)教師認(rèn)可后，方可通電。4 調(diào)整振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)。5維持低頻振蕩器輸出幅值不變，改變低頻振蕩器的頻率，從5HZ 逐漸增加到30HZ，記錄測(cè)量系統(tǒng)輸出的電信號(hào)幅值，利用振幅及頻率測(cè)量裝置測(cè)量振幅、振動(dòng)頻率。 最高電信號(hào)幅值所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率就是被測(cè)對(duì)象的固有頻率。激振頻率 Hz輸出電壓 V振幅 mm振動(dòng)頻率 Hz6 在低于固有頻率的范圍內(nèi)任選一個(gè)激振頻率，并維持不變。 先是從低到高、 而后從高到低調(diào)整激振幅值， 記錄輸出電信號(hào)、并用振幅及頻率測(cè)量裝置測(cè)量振幅。如此反復(fù)測(cè)量幾個(gè)循環(huán)。激振幅值 V輸出電壓 V振幅 mm振動(dòng)頻率