差动变压式传感器及其应用

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1.2.1 变隙式差动变压器
2. 输出特性
在忽略铁耗（即涡流与磁滞
损耗忽略不计）、漏感以及
变压器次级开路（或负载阻 抗足够大）的条件下等效电 路。 r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a ,
Ui
r1a ＋ L1aMa NhomakorabeaE2 a
r2a ＋
U2
L2a Mb
E2 b
RL
r2b
次级线圈1 衔铁 壳体 初级线圈 骨架
W2b ，使M1>M2 ，因而E2a 增加，
Uo也必将随x而变化。
3.2 差动变压器
螺线管式差动变压器结构
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1.2.2 螺线管式差动变压器
3.2.2 螺线管式差动变压器
W2b W1 W2a
当衔铁位于中心位置时，差
动变压器输出电压不等于零。
把差动变压器在零位移时的
根据电磁感应原理, 将有E2a=E2b。
由于变压器两次级绕组反相串联, 因而Uo=E2a-E2b=0， 即差动变压器输出电压为零。
3.2 差动变压器
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1.2.2 螺线管式差动变压器
3.2.2 螺线管式差动变压器
当活动衔铁向上移动时,由于磁 阻的影响，W2a 中磁通将大于 而E2b减小。 反之，E2b 增加，E2a 减小。因 为 Uo=E2a-E2b ， 所 以 当 E2a 、 次级线圈2 E2b 随着衔铁位移x变化时，
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B 1 2
1 —悬臂梁； 2 —差动变压器 1 A x(t )
差动变压器式加速度传感器
3.2 差动变压器
3.2 差动变压器
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1.2.1 变隙式差动变压器
在实际应用中当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的 位置将发生相应的变化，使δa≠δb ，互感Ma≠Mb ，两次级 绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压U2=e2a-e2b≠0，即差动变 压器有电压输出， 此电压的大小与极性将反映被测体位 移的大小和方向。
3.2 差动变压器
第一章 差动变压式传感器
主要内容
1.1 差动变压式传感器分类
1.2 具体分类的原理
1.3 差动变压式传感器应用
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1.1 差动变压式传感器分类
按结构来分可以分为：
变隙式差动变压器
次级线圈1 衔铁 壳体 初级线圈 骨架 次级线圈2
螺线管式差动变压器
螺线管式差动变压器结构
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1.2.1 变隙式差动变压器
3.2 差动变压器
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1.2.1 变隙式差动变压器
3.2.1 变隙式差动变压器
W2 U 1 U2 W1 0
变隙式差动变压器输出电压U2与位移Δδ的关系曲线。
U2
e2a e2a + e2b 2 1 Uo - e2b
O
零点残余电压：差动变压器可动衔铁处在中间位置时，理想条
－
r2b与L2b，分别为W1a , W1b ,
W2a, W2b 绕组的电阻与电感。
3.2 差动变压器
L1b － r1b
L2b
差动变隙式变压器的等效电路
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1.2.1 变隙式差动变压器
当r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b时，如果不 考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，得 变隙式差动变压器输出电压U2的表 达式，即
3.2.2 螺线管式差动变压器
零点残余电压产生的主要原因：
由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称 以及磁性材料的非线性等引起的。
3.2 差动变压器
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1.2 差动变压器
• 1.2.1 变隙式差动变压器
• 1.2.2 螺线管式差动变压器
• 1.2.3 差动变压器应用
3.2 差动变压器
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b a W2 U U2 1 b a W1
－
3.2.1 变隙式差动变压器
r1a ＋ L1a
Ui
Ma
E2 a
r2a ＋
U2
L2a Mb
E2 b
RL
r2b
－
L1b r1b
L2b
差动变隙式变压器的等效电路
分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0， 则U2=0。
上式表明：变压器输出电压与衔铁位移量Δδ/δ0成正比。 “－”号的意义:当衔铁向上移动时，Δδ/δ0定义为正，变
压器输出电压与输入电压Ui反相（相位差180°）；
当衔铁向下移动时，Δδ/δ0 则为-|Δδ/δ0|，表明Uo 与Ui 同相。 变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为
U 2 W2 U 1 K W1 0
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
有δa0=δb0=δ0。
则绕组W1a和W2a间的互感Ma与 绕组W1b和W2b的互感Mb相等， 致使两个次级绕组的互感电势相 等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反相串联，差动变 压器输出电压： U2=e2a-e2b=0。
3.2 差动变压器
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r1 ＋ I1 L1a
U
r2a ＋
E2 a
r2b
＋
3.2.2 螺线管式差动变压器
L2a － ＋
Uo
－
RL
1.工作原理
E2 b L2b
－
－
当初级绕组加以激励电压U时, 根据变压器的工作原理,在两 个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初 始平衡位置时, 必然会使两互感M1=M2。
0 x
输出电压称为零点残余电压， 记 作ΔUo，它 的 存 在 使 传 感 器的输出特性不经过零点，
E2b
理论特性曲线
Uo
E2a
U o E2 a E2 b
实际特性曲线
造成实际特性与理论特性不
完全一致。
o
Δ Uo
x
差动变压器的输出特性
3.2 差动变压器
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1.2.2 螺线管式差动变压器
1.2.3 差动变压器应用
3.2.3 差动变压器应用 可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，
如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 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，使加速度测量 转变为位移的测量。当被测体 带动衔铁以 Δx(t)振动时，导 致差动变压器的输出电压也按 相同规律变化。
件下ΔU0=0；而实际ΔU0为几mV到几十mV。（严格对称）
3.2 差动变压器
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1.2.2 螺线管式差动变压器
3.2 差动变压器
• 1.2.1 变隙式差动变压器
• 1.2.2 螺线管式差动变压器
• 1.2.3 差动变压器应用
3.2 差动变压器
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1.2.2 螺线管式差动变压器
3.2.2 螺线管式差动变压器
1.工作原理
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1.2.2 螺线管式差动变压器
3.2.2 螺线管式差动变压器
1.工作原理
两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线
圈分布电容的理想条件下, 其等效电路。
r1 ＋ I1 L1a
U
r2a ＋
E2 a
r2b
＋
L2a － ＋
Uo
－
RL
E2 b L2b
－
－
3.2 差动变压器
如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动
为正）时， 则有δa=δ0-Δδ， δb=δ0+Δδ，代入上式可得 W2 U 1 U2 W1 0
3.2 差动变压器
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1.2.1 变隙式差动变压器
3.2.1 变隙式差动变压器
W2 U 1 U2 W1 0
3.2 差动变压器
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1.2.1 变隙式差动变压器
3.2.1 变隙式差动变压器
W2 U 1 U2 W1 0
U 2 W2 U 1 K W1 0
提高灵敏度的方法: ① 适当提高电源的幅值可以提高灵敏度K值
②增加W2/W1的比值
③减小δ0都能使灵敏度K值提高。
1. 工作原理
由衔铁、初级线圈、次级线圈、 线圈框架组成。 W1a及W1b为初级绕组， W2a及W2b为次级绕组， C为衔铁。 为反映差值互感，将两个初级 绕组的同名端顺向串联，并施 加交流电压U1 两个次级绕组的同名端反向串 联，同时测量串联后的合成电 势U2。
3.2 差动变压器
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1.2.1 变隙式差动变压器