差動變壓器的特性

1、1 / 17課課程程設(shè)設(shè)計計（論論文文）課程名稱： 傳感技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練 題 目： 差動變壓器式傳感器特性研究 院 （系）： 理學(xué)院 專業(yè)班級： 應(yīng)用物理 1101 姓 名： 陳延新 學(xué) 號： 111050104 指導(dǎo)教師： 余庚華 2014 年 7 月 9 日 2 / 17摘 要當今時代是信息時代，在工業(yè)和科技領(lǐng)域信息主要是通過測量獲得，在現(xiàn)代生產(chǎn)中，物質(zhì)和能量在信息流指揮和控制下運動。測控技術(shù)正成為現(xiàn)代生產(chǎn)生活中乃至高科技領(lǐng)域中一項必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)。測控系統(tǒng)主要是傳感器，測量放大電路和執(zhí)行機構(gòu)三個部分組成，而在測控系統(tǒng)中測量變換電路是最靈活的部分。它的選取往往改變了整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以，

2、學(xué)習并領(lǐng)悟測控技術(shù)就顯得十分重要了， 測試技術(shù)是我們測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)技能課，能夠運用基本測控電路知識解決日常生活中的方方面面問題也應(yīng)該是本專業(yè)學(xué)生的基本素質(zhì)，也鑒于這些要求，做一些測控方面的課程設(shè)計就會讓我們加深對傳感器技術(shù)的理解和運用，也正是因為對一些實際問題的研究，才能使我們成為真正意義上的測控技術(shù)性人才，下面就以本次才課程設(shè)計題目差動變壓器式傳感器做比較詳細的分析。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：差動變壓器，音頻振蕩器，差動變壓器3 / 17目目 錄錄一、設(shè)計任務(wù)1 1.1、功能與用途1 1.2、設(shè)計要求12、差動變壓器式傳感器工作原理1 2.1、傳感器結(jié)構(gòu)1 2.2、差動變壓器構(gòu)造原理2

3、2.3、工作原4 / 17理3 2.4、差動變壓器各部分電路4 2.5、 實驗儀器73、實驗內(nèi)容與步驟8四、實驗注意事項10五、思考問題10六、總結(jié)11七、參考文獻5 / 1711 0 / 17一 、設(shè)計任務(wù)1.1 功能與用途 差動變壓器是一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測中的變壓裝置。用于測量位移、壓力、振動等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測量，也可用于動態(tài)測量。位移測量是差動變壓器最主要的用途。凡是能夠變換成位移的物理量都可以用差動變壓器測量。注意，一般用差動變壓器測量都是接觸式的，在某些場合會影響被測對象的狀態(tài)（例如振動等） ，即所謂“負載效應(yīng)” ，這時須選用其他形式的傳感器，例如電渦流傳感器

4、等。 、可以作為不少精密量儀的主要部件，如制成高精度電感比較儀，配上相應(yīng)的測量裝置，能對零件進行多種精密測量：長度、內(nèi)徑、外徑、不平行度、不平面度、不垂直度、振擺、偏心、和橢圓度等。 、作為軸承滾動體自動分選機的主要測量部件，可以分選大、小鋼球，大、小圓柱，大、小圓椎，滾針等。用來測量各種零件的膨脹、伸長、應(yīng)變、移動等。應(yīng)用各類傳感器其位移測量范圍可從3m 到 1000mm 以上。 、振動和加速度測量：利用差動變壓器加上懸臂梁彈性支承可以構(gòu)成測量振動的加速度計。 、壓力測量：差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒、彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)系統(tǒng)的壓力傳感器和閉環(huán)系統(tǒng)的力平衡式壓力計。1.2

5、設(shè)計要求 掌握差動變壓器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)，工作原理。分析各部分電路的作用及工作原理，特別是相敏檢波電路的作用，觀察分析各部分的波形，給出測試結(jié)果。2、差動變壓器式傳感器工作原理2.1 傳感器結(jié)構(gòu) 差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的極性；同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。因此，差動變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。 差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動

6、的極性；同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。因此，差動變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。1 / 17螺管形差動變壓器 螺管形差動變壓器傳感器由初級線圈 和兩個參數(shù)完全相同的次級線圈 、 組成。線圈中心插入圓柱形鐵芯 p,次級線圈 、 反極性串聯(lián)。當初級線圈 加上交流電壓時，如果 ，則輸出電壓 ；當鐵芯向上運動時， ；當鐵芯向下運動時， 。鐵芯偏離中心位置愈大， 愈大2.2、差動變壓器構(gòu)造原理差動變壓器的構(gòu)造原理如圖 1-1 所示，由圓筒形線圈和與其完全分離的鐵芯構(gòu)成。典型的差動變壓器的圓筒線

7、圈有三只，各是總長度的三分之一，中間是一次線圈，兩側(cè)是二次線圈。加入圓筒線圈中的鐵芯用來在線圈中鏈接磁力線而構(gòu)成磁路。當在中間的一次線圈加上交流電壓時（即激磁） ，由于與兩端線圈的互感就產(chǎn)生了電動勢（這一點與普通變壓器相同） 。因為二次線圈彼此極性相反地串聯(lián)，兩個二次線圈中的感應(yīng)電動勢相位相反，將其相加的結(jié)果，在輸出端產(chǎn)生二者的電位差。相對于線圈長度方向的中心處，兩個二次線圈的感應(yīng)電壓大小相等方向相反，因而輸出為零。這個位置被稱為差動變壓器的機械零點（或簡稱為零點） 。當鐵芯從零點相某一方向改變位置時，位移方向的二次線圈的電壓就增大，另一個二次線圈的電壓則減小。產(chǎn)品設(shè)計保證產(chǎn)生的電位差與鐵芯的

8、位移成正比。當鐵芯從零點向與剛才相反的方向移動時，就會同樣產(chǎn)生成正比的電壓，但是相位與剛才的情況相差180。相對于鐵芯位移的二次線圈電壓和輸出電壓差的關(guān)系示于圖 1-1。電壓差和鐵芯位移成正比的范圍稱為直線范圍，其比例性稱為線性，是差動變壓器最重要的一項指標。2 / 17一次 PX二次S2S1XXXP零點鐵芯圖 1-1 差動變壓器構(gòu)造原理2.3 、 工作原理 差動變壓器在工作時當初級線圈加以適當頻率的電壓激勵時,根據(jù)變壓器作用原理,在兩個次級線圈 中就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢,當鐵芯向右或向左移動時,在兩個次級線圈內(nèi)所感應(yīng)的電勢一個增加一個減少。如果輸出接成反向串聯(lián)，則傳感器的輸出電壓 u 等于兩個次級

9、線圈的電勢差，因為兩個次級線圈做得一樣，因此，當鐵芯在中央位置時，傳感器的電壓 u 為 0，當鐵芯移動時，傳感器的輸出電壓 u 就隨鐵芯位移 x 成線性的增加。如果以適當?shù)姆椒y量 u，就可以得到與 x 成比例的線性讀數(shù)。當傳感器隨著被測物體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)電勢則減少，將兩只次級反向串接，即同名端接在一起，就引出差動輸出，其輸出電勢則反映出被測體的位移量。最常用的測量電路是差動整流電路，它把兩個次級電壓分別整流后，以它們的差作為輸出。差動整流電路有電流輸出型和電壓輸出型，前者用于連接低阻抗負載的場合；

10、電壓輸出型差動整流電路則用于連接高阻抗負載的場合，這就是差動變壓器式傳感器的工作原理。3 / 17 2.4 差動變壓器各部分電路（1） 、差動放大電路差動放大器是一種零點漂移十分微小的直流放大器，它常作為直流放大器的前置級，用以放大微小的直流信號或緩慢變化的交流信號。上圖是一種差動放大器電路，R1=R2=R3=R4=51K，R5=6.6K，R6=2K，R1=510K,R2=10K，通頻帶 010kHz，增益1100 倍，可接成同相，反相，差動結(jié)構(gòu)。4 / 17如果輸入信號接在 7,8 兩點，這是放大器處于雙端輸入的差動狀態(tài)。如果輸入接在 8 與地之間，而 7 接地，這是差動放大器處于單端輸入的

11、反相狀態(tài)。把輸入信號接在 7 與地之間，而 8 接地，差動放大器處于單端輸入的同相狀態(tài)。差動放大器實現(xiàn)的功能是將信號放大。（2） 、 移相電路移相器一種用以調(diào)節(jié)交流電壓相位的裝置。移相器一般是多相的，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它和一臺被旋轉(zhuǎn)的繞線式三相異步電動機相似。通常定子繞組作為原繞組，轉(zhuǎn)子繞組為副繞組。在移相器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上裝有一套蝸輪蝸桿。轉(zhuǎn)動蝸輪蝸桿，能使移相器的轉(zhuǎn)子相對于定子在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。當定子上的原繞組接三相交流電源后，氣隙里產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場將在原、副繞組中分別感應(yīng)出電動勢E1 和E2。其大小與各繞組的有效匝數(shù)成正比，而相位決定于原、副繞組軸線之間的相對位置。例如原、副繞組軸線在空間位置上

12、彼此相差電角度,忽略它們的漏阻抗電壓降，可以得到原、副邊電壓的關(guān)系為 U1-E1 式中nsr 是原、副邊繞組的變比。改變轉(zhuǎn)子的位置 ,可以改變副邊電壓相對于原邊電壓的相位，但輸出電壓的大小不變。5 / 17（3） 、 相敏檢波電路相敏檢波器使檢波電路具有判別信號相位和選頻的能力。上圖所示為由施密特開關(guān)電路及運放組成的相敏檢波電路的原理。圖中 Ui 入信號端，8 交流參考電壓輸入端，Uo 信號輸出端，5 直流參考電壓輸入端。當 5,8 端輸入控制電壓信號時，通過差動電壓的作用使 VD 和 J 處于開或關(guān)的狀態(tài)，從而把 Ui 端輸入的正弦信號轉(zhuǎn)換成全波整流信號。放大器及 VD 組成整流電路，將輸入

13、的正弦波轉(zhuǎn)換成方波，使相敏檢波器中的電子開關(guān)能正常工作。當信號輸入接相敏檢波器輸入端 Ui，直流穩(wěn)壓電源接相敏檢波器 5 端，改變 5 端參考電壓的極性，當參考電壓為正時，輸入與輸出同相，當參考電壓為負的時，輸入與輸出反相。相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路。包絡(luò)檢波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力

14、，需采用相敏檢波電路。 相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內(nèi)平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5 等各奇次諧波，輸出信號6 / 17的幅值相應(yīng)衰減為基波的 1/ n，即信號的傳遞系數(shù)隨諧波次數(shù)增高而衰減，對高次諧波有一定抑整理用。 如果輸入信號 us 為與參考信號 uc(或 Uc)同頻信號，但有一定相位差，這時輸出電壓 uo=Usm/2cos，即輸出信號隨相位差 的余弦而變化。 由于在輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相

15、位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性。（4） 、 低通濾波電路從 0 到轉(zhuǎn)折頻率 f 之間稱為通頻帶幅頻特性平直。低通濾波器可以使信號中低于頻率 f 的成分幾乎不受衰減的通過，而高于頻率 f 的成分受到極大的衰減。 如圖 2.11 所示，R2，R3，W1，W2，C1，C2，C3 組成的慮波器。在低頻段，由于 C1，C2 的容抗非常大，輸入信號經(jīng)過 R2，R3，W1 直接傳到放大器，電壓傳輸系數(shù)同樣約等于 1；在高頻段，由于 C1，C2 容抗非常大小，輸入信號經(jīng)過C1，C2 傳到放大器，電壓傳輸系數(shù)同樣約等于 1；只有當信號頻率 f 等于它的特征頻率時，阻抗非常大，電壓傳輸系數(shù)約等于 0

16、。R1,R5 組成的比例放大器，通帶電壓增益 A0 等于比例放大器的電壓增益 AVF，即A0=AVF=1+R5/R1=2。R6，C4 組成 RC 濾波器，其傳遞函數(shù)為 H(w)=1/(1+j2f)，式中 f=1/2R6C4 為轉(zhuǎn)折頻率，在 f1/2R6C4 時，信號不衰減通過。稱為一階低通濾波器。顧名思義，所謂濾波器就是能夠過濾波動信號的器具，在電子線路中，濾波器的作用是從具有各種不同頻率成分的信號中，取出具有特定頻率成分的信號。7 / 17理想低通濾波器器能夠讓零頻（即直流）到截止頻率 fc 之間的所有信號毫無損失的通過，而高于截止頻率 fc 的所有信號毫無遺留的喪失殆盡，低通濾波器簡稱 L

17、PF。在本實驗裝置中，為了過濾掉高次波的影響，采用低通濾波器進行濾波。2.5 實驗儀器 音頻振蕩器、差動變壓器、示波器、需用器件與單元傳感器實驗箱、傳感器調(diào)理電路掛件、測微頭、信號源。三、實驗內(nèi)容與步驟1、相敏檢波器電路調(diào)試：將主機箱的音頻振蕩器的幅度調(diào)到最?。ǚ刃o逆時針輕輕轉(zhuǎn)到底） ，將2V10V 可調(diào)電源調(diào)節(jié)到2V 檔，再按示意圖接線，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率 f=5kHz，峰峰值 Vp-p=5V（用示波器測量。提示：正確選擇雙蹤示波器的“觸發(fā)”方式及其它設(shè)置，觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā) CH1、水平掃描速度 TIME/DIV 在 0.1mS10S范圍內(nèi)選擇、觸發(fā)方式

18、選擇 AUTO ；垂直顯示方式為雙蹤顯示 DUAL、垂直輸入耦合方式選擇直流耦合 DC、靈敏度 VOLTS/DIV 在 1V5V 范圍內(nèi)選擇。當CH1、CH2 輸入對地短接時移動光跡線居中后再去測量波形。 ） 。調(diào)節(jié)相敏檢波器的電位器鈕使示波器顯示幅值相等、相位相反的兩個波形。到此，相敏檢波器電路已調(diào)試完畢，以后不要觸碰這個電位器鈕。關(guān)閉電源。 2、調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，使微分筒的 0 刻度值與軸套上的 11mm 刻度值對準。按示意圖安裝、接線。將音頻振蕩器幅度調(diào)節(jié)到最小（幅度旋鈕逆時針輕轉(zhuǎn)到底） ；電壓表的量程切換開關(guān)切到 20V 檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)。 3、調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率

19、 f=5KHz、幅值 Vp-p=2V（用示波器監(jiān)測） 。4、松開測微頭安裝孔上的緊固螺釘。順著差動變壓器銜鐵的位移方向移動測微頭的安裝套（左、右方向都可以） ，使差動變壓器銜鐵明顯偏離 L1 初級線圈的中點位置，再調(diào)節(jié)移相器的移相電位器使相敏檢波器輸出為全波整流波形（示波器 CH2 的靈敏度 VOLTS/DIV 在 1V50mV 范圍內(nèi)選擇監(jiān)測） 。再慢悠悠仔細移動測微頭的安裝套，使相敏檢波器輸出波形幅值盡量為最?。ūM量使銜鐵處在 L1 初級線圈的中點位置）并擰緊測微頭安裝孔的緊固螺釘。5、調(diào)節(jié)差動變壓器實驗?zāi)０逯械?RW1、RW2（二者配合交替調(diào)節(jié)）使相敏8 / 17檢波器輸出波形趨于水平線

20、（可相應(yīng)調(diào)節(jié)示波器量程檔觀察）并且電壓表顯示趨于 0V。6、旋動測微頭，使示波器第二通道顯示的波形 Vp-p 為最小，這時可以左右移動旋動測微頭，假設(shè)其中一個方向為正位移，另一個方向為負位移，從Vp-p 最小開始旋動測微頭，每 1mm 從交流毫伏表上讀出輸出電壓 Vp-p 值，填入下表 6-1，再從 Vp-p 最小處反向位移做實驗，在實驗過程中，注意左、右位移時，初、次級波形的相位關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)記錄表：X（mm）0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10V(v)-0.001-0.004-0.011-0.024-0.041-0.062-0.085-0.111-0.149-0.192-0.225

21、X（mm）012345678910V(v)0.001-0.001-0.005-0.011-0.021-0.034-0.051-0.078-0.102-0.139-0.1767、根據(jù)上表數(shù)據(jù)作出實驗曲線并截取線性比較好的線段計算靈敏度 S=VX 與測量范圍。數(shù)據(jù)處理：9 / 17 根據(jù)上圖，左側(cè)取點（-3，-0.024） 、 （-4，-0.041） 、 （-5，-0.062） 、 （-6，-0.085） 、 （-7，-0.011）進行線性擬合右側(cè)取點（4，-0.021） 、 （5，-0.034） 、 （6，-0.051） 進行線性擬合得下圖：根據(jù)線性擬合圖像，左側(cè)取點（-3，-0.024）和（-

22、7，-0.111）求得靈敏度S= 21.75 v/m，測量范圍是（-7，3）右側(cè)取點（4，-0.021） 、 （6，-0.051） ，求得靈敏度 S= 15v/m，測量范圍是（4，6） 8分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。 答：實驗中，殘余電動勢已通過電路中串并聯(lián)電阻和電容進行了消除，但由于差動變壓器整理上的不對稱以及鐵心位置等因素，存在零點殘余電動勢，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來了誤差。9、差動變壓器的零點殘余電壓可用以下幾種方法消除：（1）提高框架和線圈的對稱性，特別是兩組次級線圈的對稱。（2）采用適當?shù)臏y量線路，一般可采用在放大電路前加相敏整流器的方法，使其特性曲線發(fā)生變化，

23、這樣不僅使輸出電壓能反映鐵芯移動的方向，而且使零點殘余電壓可以小到忽略不計的程度。（3）采用適當?shù)难a償電路，使零點殘余電壓為最小接近于零值。四、實驗注意事項 在做實驗前，應(yīng)先用示波器監(jiān)測差動變壓器激勵信號的幅度，使之為 Vp-p 值為 2V，不能太大，否則差動變壓器發(fā)熱嚴重，影響其性能，甚至燒毀線圈。 10 / 17五、思考題1用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如 1KHz 的振動幅值，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？ 答：可以。與傳感器的自感 L 的有關(guān)。2試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？答：差動變壓器的工作原理類似一般電源變壓器的作用原理，差動變壓器在使用時采用了兩個二次繞組反向