傳感器差動(dòng)變壓器

第一頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六主要內(nèi)容3.1自感式傳感器3.2差動(dòng)變壓器3.3電容傳感器3.4電渦流式傳感器第三章變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用第二頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2差動(dòng)變壓器

互感式傳感器——把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器。

差動(dòng)變壓器式傳感器——次級(jí)繞組用差動(dòng)形式

結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式、螺線管式

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠第三頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2.3差動(dòng)變壓器應(yīng)用3.2差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第四頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器由銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈、線圈框架組成。W1a及W1b為初級(jí)繞組，W2a及W2b為次級(jí)繞組，C為銜鐵。為反映差值互感，將兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓U1兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端反向串聯(lián)，同時(shí)測(cè)量串聯(lián)后的合成電勢(shì)U2。1.工作原理3.2差動(dòng)變壓器第五頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)沒(méi)有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0。則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)，差動(dòng)變壓器輸出電壓：U2=e2a-e2b=0。3.2差動(dòng)變壓器3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器第六頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2a≠e2b，輸出電壓U2=e2a-e2b≠0，即差動(dòng)變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。

3.2差動(dòng)變壓器3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器第七頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器2.輸出特性在忽略鐵耗（即渦流與磁滯損耗忽略不計(jì)）、漏感以及變壓器次級(jí)開(kāi)路（或負(fù)載阻抗足夠大）的條件下等效電路。

r1a與L1a,r1b與L1b,r2a與L2a,r2b與L2b，分別為W1a,W1b,W2a,W2b繞組的電阻與電感。3.2差動(dòng)變壓器第八頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b時(shí)，如果不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響，得變隙式差動(dòng)變壓器輸出電壓U2的表達(dá)式，即分析：當(dāng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，因δa=δb=δ0，則U2=0。如果被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，例如向上移動(dòng)Δδ（假設(shè)向上移動(dòng)為正）時(shí)，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第九頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器上式表明：變壓器輸出電壓與銜鐵位移量Δδ/δ0成正比?！埃碧?hào)的意義:當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，Δδ/δ0定義為正，變壓器輸出電壓與輸入電壓Ui反相（相位差180°）；當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，Δδ/δ0則為-|Δδ/δ0|，表明Uo與Ui同相。3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器靈敏度K的表達(dá)式為第十頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器①首先，供電電源U1要穩(wěn)定（獲取穩(wěn)定的輸出特性）；其次，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值，但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件。②增加W2/W1的比值和減小δ0都能使靈敏度K值提高。（W2/W1影響變壓器的體積及零點(diǎn)殘余電壓。一般選擇傳感器的δ0為0.5mm。）3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器輸出電壓U2與位移Δδ的關(guān)系曲線。零點(diǎn)殘余電壓：差動(dòng)變壓器可動(dòng)銜鐵處在中間位置時(shí)，理想條件下U0=0；而實(shí)際U0為幾mV到幾十mV。（嚴(yán)格對(duì)稱）3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.1變隙式差動(dòng)變壓器3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2.3差動(dòng)變壓器應(yīng)用3.2差動(dòng)變壓器3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器1.工作原理3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器第十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器1.工作原理兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器1.工作原理當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí),根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),必然會(huì)使兩互感M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián),因而Uo=E2a-E2b=0，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。3.2差動(dòng)變壓器第十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b

隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓不等于零。把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。磁化曲線是表示物質(zhì)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)度M之間的關(guān)系。

3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

2.基本特性根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路。當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)U——初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；ω——激勵(lì)電壓U的角頻率；

I1——初級(jí)線圈激勵(lì)電流；

r1、L1——初級(jí)線圈電阻和電感。.3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開(kāi)路，則由以上關(guān)系可得3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器上式說(shuō)明，當(dāng)激磁電壓的幅值和角頻率ω、初級(jí)繞組的電阻r1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M2對(duì)活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系式，可得到螺線管式差動(dòng)變壓器的基本特性表達(dá)式。輸出電壓的有效值為3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器①活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)M1=M2=MUo=0②活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)M1=M+ΔM

M2=M-ΔM與E2a同極性。.3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器③活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)M1=M-ΔM，M2=M+ΔM與E2b同極性。.3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

3.主要性能（1）靈敏度差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，鐵芯移動(dòng)一個(gè)單位距離時(shí)的輸出電壓，以(V/mm)/V表示。OA段:kE隨f的增加而增加AB段：kE趨于定值。BC段：鐵芯有效阻值增大，鐵芯發(fā)熱，kE隨f的增加而下降。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器（2）線性度線性度:

傳感器實(shí)際特性曲線與理論直線之間的最大偏差除以測(cè)量范圍（滿量程），并用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。影響差動(dòng)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(lì)頻率和負(fù)載狀態(tài)等。改善差動(dòng)變壓器的線性度:取測(cè)量范圍為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10-1/4，激勵(lì)頻率采用中頻。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

4.零點(diǎn)殘余電壓及消除方法零點(diǎn)殘余電壓危害：使傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制分辨力的提高。零點(diǎn)殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡停氯杏眯盘?hào)通過(guò)，致使儀器不再反映被測(cè)量的變化。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

4.零點(diǎn)殘余電壓及消除方法產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因：（1）由于兩個(gè)二次測(cè)量線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱，使其輸出的基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位不同，調(diào)整磁芯位置時(shí)，也不能達(dá)到幅值和相位同時(shí)相同。（2）由于鐵芯（導(dǎo)磁材料）的磁化曲線的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第二十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向)（2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。

(1)差動(dòng)整流電路把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

5.轉(zhuǎn)換電路3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第三十頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

5.轉(zhuǎn)換電路3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第三十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

5.轉(zhuǎn)換電路從圖（c）電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電壓是U24，流經(jīng)電容C2的電壓U68，故整流電路的輸出電壓為3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差動(dòng)變壓器第三十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器

5.轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，因?yàn)閁24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24>U68

，則U2>0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，則有U24<U68，則U2<0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。3.2.2螺線管式差動(dòng)變壓器3.2差