傳感器技術(shù)基礎(chǔ) 3.2 差動變壓器

《傳感器技術(shù)基礎(chǔ)》

1第2章變電抗式傳感器原理與應用3.2差動變壓器

3.2差動變壓器

差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為傳感器線圈的互感系數(shù)的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組常用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。

簡稱差動變壓器。

223.2差動變壓器3.2.1螺線管式差動變壓器3.2.2變隙式差動變壓器

3.2.3差動變壓器應用

3243.2.1螺線管式差動變壓器

1.工作原理2.基本特性3.主要性能4.零點殘余電壓及消除方法5.轉(zhuǎn)換電路2１.螺線管式差動變壓器的工作原理１-活動銜鐵；２-導磁外殼；３-骨架；４-匝數(shù)為W1初級繞組；５-匝數(shù)為W2a的次級繞組；６-匝數(shù)為W2b的次級繞組52２.基本特性當次級開路時有,初級線圈激勵電流根據(jù)電磁感應定律，次級繞組中感應電勢的表達式為次級兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級開路，則輸出電壓有效值6差動2基本特性分析：

（1）當活動銜鐵處于中間位置時

M1=M2=M

則U2=0

（2）當活動銜鐵向W2a方向移動時

M1=M+ΔM,M2=M-ΔM

故（3）當活動銜鐵向W2b方向移動時

M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故72差動變壓器輸出電壓特性曲線82(a)、(b)變隙式差動變壓器；(c)、(d)螺線管式差動變壓器；(e)、(f)變面積式差動變壓器923.2差動變壓器103.2.1螺線管式差動變壓器3.2.2變隙式差動變壓器

3.2.3差動變壓器應用23.2.2變隙式差動變壓器1.工作原理2.輸出特性3.主要性能4.零點殘余電壓及消除方法5.轉(zhuǎn)換電路112變隙式差動變壓器

當一次側(cè)線圈接入激勵電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應電壓輸出互感變化時，輸出電壓將作相應變化兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反向串聯(lián)。12差動2當沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙為δa0=δb0=δ0兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反向串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應的變化，使δa≠δb兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓電壓的大小反映了被測位移的大小，通過用相敏檢波等電路處理，使最終輸出電壓的極性能反映位移的方向。1.工作原理132２.輸出特性142如果被測體帶動銜鐵移動變隙式差動變壓器輸出特性１理想特性；２實際特性152結(jié)論：p66供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當提高可以提高靈敏度K值;增加W2/W1的比值和減少δ0都能使靈敏度k值提高;以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容條件下得到的;這在工程應用中是可以的。以上結(jié)果是在假定工藝上嚴格對稱前提下得到的，而實際上很難做到這一點;所以，存在零點殘余電壓，需要采取措施減小或消除零點殘余電壓的影響。

上述推導是在變壓器副邊開路的情況下得到的。162３.主要性能（1）靈敏度（2）線性度172（1）靈敏度差動變壓器在單位電壓激勵下，鐵芯移動一個單位距離時的輸出電壓，以(V/mm)/V表示。理想條件下，差動變壓器的靈敏度kE正比于電源激勵頻率f

。KE與f關(guān)系曲線18當時，kE值較穩(wěn)定激勵頻率400Hz~10kHz2提高輸入激勵電壓U1，將使傳感器靈敏度按線性增加。除了激勵頻率和輸入激勵電壓對差動變壓器靈敏度有影響外，提高線圈品質(zhì)因數(shù)Q值，增大銜鐵直徑，選擇導磁性能好、鐵損小以及渦流損

耗小的導磁材料制作銜鐵和導磁外殼等，

19都可以提高靈敏度2（2）線性度線性度:傳感器實際特性曲線與理論直線之間的最大偏差除以測量范圍（滿量程），并用百分數(shù)來表示。

影響差動變壓器線性度的因素:骨架形狀和尺寸的精確性，線圈的排列，鐵芯的尺寸和材質(zhì)，激勵頻率和負載狀態(tài)等。

改善差動變壓器的線性度的措施:取測量范圍為線圈骨架長度的1/10~1/4，激勵頻率采用中頻，配用相敏檢波式測量電路2024.零點殘余電壓及消除方法零點殘余電壓危害：使傳感器輸出特性在零點附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制著分辨力的提高。零點殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至會使放大器飽和，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。212產(chǎn)生零點殘余電壓的原因

（1）由于兩個二次測量線圈的等效參數(shù)不對稱，使其輸出的基波感應電動勢的幅值和相位不同，調(diào)整磁芯位置時，也不能達到幅值和相位同時相同。（2）由于鐵芯的B-H特性的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消。（3）勵磁電壓波形中含有高次諧波。222減小零點殘余電壓措施：

提高框架和線圈的對稱性，特別是兩個二次線圈對稱。采用適當?shù)臏y量電路，一般可采用在放大電路前加相敏整流器。在電路上進行補償，使零點殘余電壓最小，接近于零。線路補償主要有：加串聯(lián)電阻，加并聯(lián)電容，加反饋電阻或反饋電容等。232補償零點殘余電壓的電路24可補償高次諧波,C~0.1uF調(diào)節(jié)二次側(cè)輸出電壓大小和相位RP~10kR串聯(lián)調(diào)整次級線圈電阻，C并聯(lián)調(diào)節(jié)電壓相位接入R(幾百k)可減輕兩個二次側(cè)線圈的負載電壓，避免外接負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓25.轉(zhuǎn)換電路作用——能辨別移動方向消除零點殘余電壓

（1）差動整流電路

（2）相敏檢波電路

（3）直流差動變壓器電路252（1）差動整流電路p71(a)、(b)適用于高阻抗負載(c)、(d)適用于低阻抗負載電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓。26分別先整流，再差動2（2）相敏檢波電路p7227er和e同頻同相（或反相）,鐵芯在中間時，UCD=0鐵芯上移時，UCD＞0鐵芯下移時，UCD

＜0可確定鐵芯位移的大小和方向UCD2（3）直流差動變壓器電路應用場合：需要遠距離測量，便攜，防爆及同時使用若干個差動變壓器，且需避免相互間或?qū)ζ渌鼉x器設備產(chǎn)生干擾的場合。28直流電源+多諧振蕩器23.2差動變壓器3.2.1工作原理及分類3.2.2變隙式差動變壓器

3.2.3差動變壓器應用

2923.2.3差動變壓器應用1.力和力矩的測量2.微小位移的測量3.壓力測量4.加速度傳感器3021.力和力矩的測量1－線圈2－銜鐵3－彈性元件優(yōu)點：承受軸向力時應力分布均勻；當長徑比較小時，受橫向偏心的分力的影響較小。3122.微小位移的測量1－測端2－防塵罩3－軸套4－圓片簧5－測桿6－磁筒7－磁芯8－線圈9－彈簧10－導線3223.壓力測量

微壓力傳感器1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計3324.加速度傳感器1－懸臂梁；2－差動變壓器Endthe3.2342補充習題1

如圖所示氣隙型電感傳感器，銜鐵截面積S=4×4mm2，氣隙總長度δ=0.8mm，銜鐵最大位移△δ=±0.08mm，激勵線圈匝數(shù)W=2500匝，導線直徑d=0.06mm，電阻率ρ=1.75×10-6·cm，當激勵電源頻率f=4000Hz時，

氣隙型電感式傳感器（變隙式）忽略漏磁及鐵損，求：(1)線圈電感值；(2)電感的最大變化量；(3)線圈的直流電阻值；（注：銜鐵和鐵心界面均為正方形）

(4)線圈的品質(zhì)因數(shù)Q；（注：