差動(dòng)式傳感器課件

3.2差動(dòng)變壓器

差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。

1.變隙式

2.變面積式

3.螺線管式

(a)、(b)變隙式差動(dòng)變壓器；(c)、(d)螺線管式差動(dòng)變壓器；(e)、(f)變面積式差動(dòng)變壓器3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器當(dāng)一次側(cè)線圈接入激勵(lì)電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出互感變化時(shí)，輸出電壓將作相應(yīng)變化兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反向串聯(lián)。２.輸出特性

如果被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)圖3.2.3變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性１理想特性；２實(shí)際特性（１）供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值;（２）增加W2/W1的比值和減少δ0都能使靈敏度K值提高;（３）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;（４）以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對(duì)稱前提下得到的，而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn);（５）上述推導(dǎo)是在變壓器副邊開(kāi)路的情況下得到的。３.２.２螺線管式差動(dòng)變壓器1.工作原理2.基本特性3.主要性能4.零點(diǎn)殘余電壓及消除方法5.轉(zhuǎn)換電路在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為ω—激勵(lì)電壓的角頻率；

e1—激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；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)式為圖3.2.6差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線３.主要性能（1）靈敏度（2）線性度

當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。0e2x-xe204.零點(diǎn)殘余電壓及消除方法零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：①基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。

②高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。4.零點(diǎn)殘余電壓及消除方法消除零點(diǎn)殘余電壓方法：1．從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過(guò)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。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。

2．選用合適的測(cè)量線路

采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性

在差動(dòng)變壓器次級(jí)繞組側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻、電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘存電壓減小。

在次級(jí)繞組側(cè)并聯(lián)電容。由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變繞組的相位，并聯(lián)電阻R是為了利用R的分流作用，使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路CR(a)R2WR1C(c)

在次級(jí)繞組側(cè)并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓的相位。電容C可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。

接入補(bǔ)償線圈L以避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘存電壓。LW(d)補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路5.轉(zhuǎn)換電路

能辨別移動(dòng)方向消除零點(diǎn)殘余電壓

（1）差動(dòng)整流電路

（2）相敏檢波電路

（3）直流差動(dòng)變壓器電路全波整流電路和波形圖銜鐵在零位以下銜鐵在零位以上銜鐵在零位(a)～e1RRcabhgfdeUSCeabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd(b)容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中比較電壓Ｕ２和Ｕ１同頻，經(jīng)過(guò)移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且滿足Ｕ２＞＞Ｕ１。(2)二級(jí)管相敏檢波電路（2）相敏檢波電路（a）相敏檢波電路原理圖；（b）us、u2為正半周時(shí)等效電路；(c)us、u2為負(fù)半周時(shí)等效電路（3）直流差動(dòng)變壓器電路應(yīng)用場(chǎng)合：需要遠(yuǎn)距離測(cè)量，便攜，防爆及同時(shí)使用若干個(gè)差動(dòng)變壓器，且需避免相互間或?qū)ζ渌鼉x器設(shè)備產(chǎn)生干擾的場(chǎng)合。3.2.3差動(dòng)變壓器應(yīng)用1.力和力矩的測(cè)量2.微小位移的測(cè)量3.壓力測(cè)量4.加速度傳感器3.壓力測(cè)量V振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路～220V4.加速度傳感器

用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果。可測(cè)量的振幅為(0.1～5)mm，振動(dòng)頻率為(0～150)Hz。測(cè)量振動(dòng)與加速的電感傳感器結(jié)構(gòu)圖。銜鐵受振動(dòng)和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動(dòng)的幅度和頻率以及加速度的大小。穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)