1、,返 回,8.2 差动变压器,差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。 变隙式变面积式 螺线管式,下一页,返 回,(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器,上一页,返 回,下一页,差动变压器,8.2.1 变隙式差动变压器 8.2.2 螺线管式差动变压器 8.2.3 差动变压器应用,上一页,返 回,下一页,8.2.1 变隙式差动变压器,当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出 互感变化时，输出电压将作相
2、应变化,上一页,返 回,下一页,两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。,当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置， 它与两个铁芯的间隙为a0 =b0=0 两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化， 使ab 两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理， 使最终输出电压的极性能反映位移的方向。,1. 工作原理,上一页,返 回,下一页,.输出特性,上一页,返 回,下一页,当衔铁处于初始平衡位置时，,则,如果被
3、测体带动衔铁移动,图3.2.3 变隙式差动变压器输出特性 理想特性； 实际特性,上一页,返 回,下一页,结论：,（）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值; （）增加W2/W1的比值和减少0都能使灵敏度K值提高; （）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的; （）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点;使实际传感器输出曲线如图3.2.3中曲线2，存在零点残余电压。 （）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。,上一页,返 回,下一页,8.螺线管式差动变压器,1. 工作原理 2. 基本特性 3. 主要性能 4. 零点残余电压及消除
4、方法 5. 转换电路,上一页,返 回,下一页,. 工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳； -骨架；-匝数为W1初级绕组； -匝数为W2a的次级绕组； -匝数为W2b的次级绕组,上一页,返 回,下一页,当初级线圈绕组加上适当频率的电压激励时，在两个绕组W2A和W2B产生感应电动势 和 ，当活动衔铁处于初始平衡位置时， 则 当活动衔铁偏离平衡位置时，则,图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线,上一页,返 回,下一页,. 基本特性,当次级开路时有 ,初级线圈激励电流,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为,次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则,输出电压有效值,上一页,返 回,下一页,基本特
5、性分析：,（1）当活动衔铁处于中间位置时M1= M2=M则 U2=0 （2）当活动衔铁向W2a方向移动时M1= M+M, M2= M-M故 （3）当活动衔铁向W2b方向移动时M1= M-M，M2= M+M故,上一页,返 回,下一页,. 主要性能,（1）灵敏度 （2）线性度,上一页,返 回,下一页,（1）灵敏度,差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源激励频率f .,图3.2.7 KE与f关系曲线,上一页,返 回,下一页,提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。,除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏
6、度有影响外， 提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好， 铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等 可以提高灵敏度。,上一页,返 回,下一页,（2）线性度,线性度: 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。 影响差动变压器线性度的因素: 骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路,上一页,返 回,下一页,4. 零点残余电压及消除方法,零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵
7、敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,上一页,返 回,下一页,产生零点残余电压的原因,（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。 （2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。,上一页,返 回,下一页,减小零点残余电压措施：,（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈
8、绕制也要均匀。 （2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。 （3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。,上一页,返 回,下一页,补偿零点残余电压的电路,上一页,返 回,下一页,（a)图在输出端接入电位器RP，调节RP，可使二次侧线圈输出电压的大小和相位发生变化，从而使零点残余电压为最小值。这种方法对基波正交分量有明显的补偿效果，但对高次谐波无补偿作用。 （b）图并联电容C可以有效地补偿高次谐波分量。 （c）图串联电阻R调整二次侧线圈的电阻值不平衡，并联电容改变某一输出
9、电势的相位，也能达到良好的零点残余电压补偿作用。,（d）图接入电阻R减轻了二次侧线圈的负载，可以避免外接负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。,5. 转换电路,能辨别移动方向消除零点残余电压 （1）差动整流电路（2）相敏检波电路 （3）直流差动变压器电路,上一页,返 回,下一页,（1）差动整流电路,(a)、(b)适用于高阻抗负载 (c)、(d)适用于低阻抗负载 电阻R0用于调整零点残余电压。,上一页,返 回,下一页,（a）半波电压输出，（b）全波电压输出 （c）半波电流输出，（d）全波电流输出以图（b）所示电路为例，分析差动整流电路工作原理 ：假定某瞬间载波为正半周，此时差动变压器两次级线圈
10、的相位关系为a正b负，c正d负，则由上线圈供电的电流路径为a-11-b，电容C1两端的电压为U24。,同理，电容C2两端的电压为U68。差动变压器的输出电压为上述两电压的代数和。即 U2= U24- U68 (3.2.9)同理，当某瞬间为负半周时，即两次级线圈的相位关系为a负b正，c负d正，按上述类似的分析，可得差动变压器输出电压U2的表达式仍为（3.2.9）式。,讨论：当衔铁在零位时，因为U24= U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24U68，则U20；当衔铁在零位以下时，有U24U68，则U2 0。,结论：差动整流电路可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响。此外，还具有结构简
11、单，分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因此获得广泛应用。,（2）相敏检波电路,（a）相敏检波电路原理图； （b）us、u2为正半周时等效电路；(c) us、u2为负半周时等效电路,上一页,返 回,下一页,输入信号u2（差动变压器输出的调幅波电压）通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上，参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号u0从变压器T1与T2的中心抽头引出。图中平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。,RL为负载电阻。us的幅值要远大于输入信号u2的幅值，以便有效地控制四个二极管的导通状态，且us和差动变压器式传感器激励电压u1由同一
12、振荡器供电，保证两者同频同相（或反相）。,相敏检波电路波形,(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c) 差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形,上一页,返 回,下一页,由图（a）、(c) 、(d)可知，当位移0时，u2与us同频同相。当位移x0时，u2与us同频同相，当u2与us均为正半周时，如图3-2-11(a)，二极管VD1、VD4截止，VD2、VD3导通，则可得到图3-2-11（b）的等效电路。,根据变压器工作原理，考虑到M、O分别为变压器T1、T2的中心抽头，则有(3.2.10)(3.2.11),n1、n2分别为变压器T1、T
13、2 的变压比。采用电路分析的基本方法，可求得图 (b)所示电路输出电压u0的表达式:,同理当u2与us均为负半周时，二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4 导通。其等效电路如图3-2-11(c)所示。输出电压u0的表达式与式（3-2-12）相同。说明只要位移0 ，不论u2 与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压u0始终为正。,当0时，u2与us为同频反相。采用上述相同的分析方法，可得到负载电阻RL两端输出电压u0的表达式为,小结： 相敏检波电路输出电压u0的变化规律不仅反映了位移变化的大小，而且还反映了位移变化的方向，同时还可以消除零点残余电压的影响。,（3）直流差动变压器电路
14、,应用场合： 需要远距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器， 且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合 。,上一页,返 回,下一页,特点：在差动变压器初级的一端增加了直流电源和多谐振荡器，形成“直进-直出”，从而抑制了干扰。,8.2.3 差动变压器应用,1. 力和力矩的测量 2. 微小位移的测量 3. 压力测量 4. 加速度传感器,上一页,返 回,下一页,1. 力和力矩的测量,1线圈 2衔铁 3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,上一页,返 回,下一页,2. 微小位移的测量,1测端 2防尘罩 3轴套 4圆片簧 5测杆 6磁筒 7磁
15、芯 8线圈 9弹簧 10导线,上一页,返 回,下一页,3. 压力测量,微压力传感器 1-接头；2-膜盒； 3-底座；4-线路板； 5-差动变压器线圈； 6-衔铁；7-罩壳； 8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合， 可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,上一页,返 回,下一页,4. 加速度传感器,1 悬臂梁； 2 差动变压器,上一页,返 回,测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度的测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。通过输出电压值的变化间接地反映被测加速度值的变化。,
