测试技术-4.2 差动变压器式传感器

，其等效电路如图4-16所示。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
两互感系数M1=M2。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
•
U2 U24 U68
(4-35)
4.2 差动变压器式传感器
• 当位下的衔以时方铁上，向在时则。零，有位因U2时为4<，UU2因648>，为U则U682，U4=2则<U0U6。82，>U所02的；以正而U负2当=表衔0；示铁当衔在衔铁零铁位位在移以零 • 差动整流电路具有结构简单，不需要考虑相位调整和零点
4.2 差动变压器式传感器
•
零点残余电压主要是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。
零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组
成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气
参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不
等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感
4.2 差动变压器式传感器
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
• （a） 一节式; （b） 二节式; （c） 三节式; • （d） 四节式; （e） 五节式 • 图4-15 线圈排列方式
4.2 差动变压器式传感器
•
差动变压器式传感器中的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
路（或负载阻抗足够大）的条件下，图4-11（a）的等效电路可用图 4-12表示。图中r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a ,r2b与L2b，分别 为W1a，W1b ,W2a，W2b绕阻的直流电阻与电感。
• 图4-12 变间隙式差动变压器等效电路
4.2 差动变压器式传感 器
• 根据电磁感应定律和磁路欧姆定律，当r1a<<ωL1a， r1b<<ω L1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响， 对图4-12所示的等效电路进行分析，可得变间隙式差动 变压器输出电压Uo的表达式，即
•
当Δx<0时，u2与us为同频反相。采用上述相同的分
析方法不难得到当Δx<0时，不论u2与us是正半周还是负
半周，负载电阻RL两端得到的输出电压uo表达式总是为
• ① 活动衔铁处于中间位置时
•
M1=M2=M
•
故
•
Uo=0
• ② 活动衔铁向上移动时
•
M1 =M+ΔM， M2 =M-ΔM
•
故 Uo r12 (L1)2 与E2a同极性。
• ③ 活动衔铁向下移动时
•
M1 =M-ΔM， M2 =M+ΔM
•
故Uo
2MU r12 (L1)2
与E2b同极性。
uo
O
4.2 差动变压器式传感器
• 根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变压器T1、
T2的中心抽头，则
•
us1

us2
us 2n2
(4-36)
•
•
u21

u22
u1 2n1
(4-37)
• 式中，n1，n2分别为变压器T1、T2的变压比。采用电路分 析的基本方法，可求得图4-19（b）所示电路的输出电压
• 当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，W2a中磁 通将大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b减小 。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以 当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化 。图4-17给出了差动变压器输出电压Uo与活动衔铁位移 Δx的关系曲线。图中实线为理论特性曲线，虚线曲线为实 际特性曲线。由图4-17可以看出，当衔铁位于中心位置时 ，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在 零位移时的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，造成实际特性与理 论特性不完全一致。
残余电压的影响，分布电容影响小和便于远距离传输等优 点，因而获得广泛应用。 • (2) 相敏检波电路 • 相为敏四检个波性电能路相如同图的二4-极19管所，示以。同图一中方VD向1、串联VD接2、成V一D3个、闭VD合4
回输角对图路出线角中，的上线平形调。上衡成幅参。电环波考输阻形电信出R起电压号信限桥号)u通流s。u通过o作输过从变用入变变压，信压压器以号器器T避1uTT加2免21(加与到差二到T环动极2环的形变管形中电压导电心桥器通桥抽的式时的头一传变另引个感压一出对器器个。
4.2 差动变压器式传感 器
u2
－ us1 ＋ C R
us
T1
u21 C u22
T2
us1
us2
A VD4
VD1 R
R VD2
B
R D
VD3 R
O
RL uo
(a)
＋
O
us2 －
RL
uo
M
R
D
C
＋－R•来自图4-1－9u22相敏检波电路us1 ＋
M A
R
D － us2 ＋
(b)
(c)
－ u21 ＋
M
RL
4.2 差动变压器式传感器
• 3. 差动变压器式传感器测量电路
• 差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只 能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其 测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向 和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动 整流电路和相敏检波电路。
e2b
2
U 2
B
(a)
(b)
• （a）、（b）变间隙式差动变压器;
U1
U2 U1
U 2
(c)
(d )
• （c）、（d）螺线管式差动变压器;
4.2 差动变压器式传感器
•
•
（e）、（f）变面积式差动变压器
•
图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图
4.2 差动变压器式传感器
• 2. 输出特性 • 在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开
4.2 差动变压器式传感 器
• 4.2.2 螺线管式差动变压器 • 1. 工作原理
• 图4-14 螺线管式差动变压器结构 • 1-活动衔铁；2-导磁外壳；3-骨架；4-匝数为W1 的初级绕组；
• 5-匝数为 W2a 的次级绕组；6-匝数为W2b 的次级绕组；
• 螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式不同可分为一 节、 二节、三节、四节和五节式等类型，如图4-15所示 。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用 的是二节式和三节式两类。
，即差动变压器输出电压为零。 图4-16 差动变压器等效
电路
•
4.2 差动变压器式传感器
W2 b
W1
W2 a
u2b
理 论特 性 曲线
0 uo
Δ U o
o
x
u2a
u 2 ＝u 2 a －u 2 b
实 际特 性 曲 线 x
• 图4-17 差动变压器输出电压的特性曲线
4.2 差动变压器式传感
器
• 在零点总是有一个最小的输出电压。一般把这个最小 的输出电压称为零点残余电压。零点残余电压的大小是判 别传感器质量的重要表示之一。
0

(4-28)
4.2 差动变压器式传感器
• 上式即为闭磁路变间隙式差动变压器的输出特性。它表明变压器输 出电压Uo与衔铁位移量 / 0 成正比。式中负号的意义是，当衔 铁反表向相明上（Uo移相与动位U时差i同，1相80。/°0图）4；-定1而3义所当为示衔正为铁，变向变间下压隙移器式动输差时出动，电变/压0压U器o则输与为出输/ 电入0 压电U压，oU与i 位移 的关系曲线。
但是如果被测体带动衔铁移动例如向上移动假设向上移动为正时则有代入上式可得?42821baoibawuuw??????????0a??????0b??????210iouwuw??????42差动变压器式传感器?上式即为闭磁路变间隙式差动变压器的输出特性
4.2 差动变压器式传感器
• 1. 工作原理 • 假设闭磁路变间隙式差动变压器的结构如图4-11（a）所
•
I1

r1
U
jL1
(4-30)
• 式中：U——初级线圈激励电压；
•
ω ——激励电压U的角频率；
•
I1——初级线圈激励电流；
•
r1、L1——初级线圈直流电阻和电感。
4.2 差动变压器式传感器
•
因此，只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，再代入
式（4-33）即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。
T入且2的信us和次号差级u2动电的变流幅压过值器大，式。以传R便L感为有器负效激载控磁电制电阻四压。个uu二1s的由极幅同管值一的要振导远荡通大器状于供态输电，
4.2 差动变压器式传感器
• 图4-18 差动整流电路 • （a） 半波电压输出；（b） 半波电流输出； • （c） 全波电压输出； （d） 全波电流输出
• (1) 差动整流电路
• 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出，图4-18给出了 几种典型电路形式，其中图（a）、（c）适用于交流阻抗 负载，图（b）、（d）适用于低阻抗负载，电阻R0用于 调整零点残余电压。
• 从图4-18（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出 瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4 ，流经电容C2的电流方向总是从6到8，故整流电路的输 出电压为
uo的表达式
•
uo
RLu22
R 2
RL

RLu1 n1(R 2RL )
(4-38)
4.2 差动变压器式传感器
•
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4-19（c）所示。输出电
压uo表达式与式（4-38）相同。说明只要位移Δx>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uo始终为正。
应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次
谐波，其产生的原因是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱
和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际
使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果
。
4.2 差动变压器式传感器
• 2. 基本特性 • 差动变压器等效电路如图4-16所示。当次级开路时
•
Uo

b b
a a
W2 W1
Ui
(4-27)
• 由上式可知，当衔铁处于初始平衡位置时，因，则Uo=0
。但是如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动 （ 假设
向上移动为正）时，则有 a 0 ， b 0 ，代 入上式可得
•
Uo

W2 W1
Ui
应的变化，使δ a≠δ b，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感 电电势压输e2a出≠，e2此b，电输压出的电大压小U与o=极e性2a-反e2映b≠被0测，体即位差移动的变大压小器和有 方向。
4.2 差动变压器式传感器
A Ii
U1 1
1
2
U i
a
b
W1a
W2a
C
e2a
U o
W1b
W2b
• 由式（4-28）可得变间隙式差动变压器灵敏度S的表达式为
•
S Uo W2 Ui
(4-29)
W1 0
• 图4-13 变间隙式差动变压器输出特性
4.2 差动变压器式传感
器
• 综合以上分析，可得到如下结论： • ① 首先，供电电源Ui要稳定，以便使传感器具有稳定的输出特性；其
次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度S值，但要以变压器铁芯不 饱和以及允许温升为条件。 • ②W 虑愈，好2增/W还。加1是为的W从兼比2/忽顾W值略测1与的边量变比缘范压值磁 围器和通 的的减考 需体小虑 要积δ， ，0及都均 一零能要 般点使求 选残灵变 择余敏间 传电度隙 感压S式 器值有差 的提关动δ高，0变为。不压0然论.5器而从m的，灵mδ敏。0愈度小考 • ③ 以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容等条件下得到的 ，如果考虑这些影响，将会使传感器性能变差（灵敏度降低，非线性 加大等）。但是，在一般工程应用中是可以忽略的。 • ④ 以上结果是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，而实际上很难 做到这一点，因此传感器实际输出特性如图4-13中曲线2所示，存在 零点残余电压ΔUo。 • ⑤ 进行上述推导的另一个条件是变压器副边开路，对由电子线路构成 的测量电路来讲，这个要求很容易满足，但如果直接配接低输入阻抗 电路， 就必须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。
示组端，和顺在向W串A2a、=联WB，两2b而个=两W铁个2芯两次上个级绕次绕有级组W绕的1组a同=。W名两1端b个=则W初反1级的相绕两串组个联的初。同级名绕 • 当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯
的绕电差间组势动隙相变W有等压1b和，器δ aW即输0=2出eδb2的ba电0==互压eδ2感0Ub，。Mo则=由b相e绕于2等a组次-e，W级2b致=1绕a0使和组。两W反个2相a间次串的级联互绕，感组因M的此a互与，感 • 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相