差动变压器资料

Uo
E2b
E2a
理论特性曲线
o Δ Uo
Uo E2特性
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。
2
, 式中 )
2为引起非线性的因素
忽略 2，，并设R11 R12 R1
•
•
U U 2 j
N2 N1
N12 2 O OS
(2
0
)
2(R1
1
j N12 2 O
0 ) 0
OS
•
U
j
N2 N1
L0
0
(R1
1
jL0 )
U•
N 2
jL0
1 N1 0 (R1 jL0 )
j 1 1
U U •
x(t) 差动变压器输
t 出电压波形
相敏检波解调
t
电压波形
相敏检波输出
t
电压波形
图3.19 相敏检波的波形图
补偿零点残余电压的电路
4. 差动变压器式传感器的应用
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。
线路板
差动变压器 衔铁
底座 膜盒
接头 图5.20 微压传感器
c x d
1
4
29
C1
3
11
R0U o
5
8
6
C2
10
7 (c)全波电压输出
R0
Uo
(b)半波电流输出
T
Ui
x
Uo
R0
(d )全波电流输出
图3.16 差动整流电路
从图（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
3.2 差动变压器式传感器 （互感式）
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称 为互感式传感器。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形式连接， 故称差动变压器式 传感器。
差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式 等。
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏 度高、 结构简单、性能可靠等优点。
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磁电压u1由同一振荡器供电， 保证二 者同频同相（或反相）。
载波与调幅波同相位时， 输出M高，O低
根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变压器T1、
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。
2. 根据差动变压器等效电路。 当次级开路
I1
r1
U
jL1
式中：U.——初级线圈激励电压；
. ω——激励电压U的角频率；
壳体
插头 通孔
图5.21 CPC型差压计
差动变压器式加速度传感器:由悬臂梁和差动变压器构成。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, 其等效电路。
r1
r2a
＋ I1
＋ E2a
＋
L1a
L2a
Uo
RL
U
－
r2b
－
＋
E2b
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 , 即差动变压器输出电压为零。
B
1
2
1—悬 臂 梁 ； 2—差 动 变 压 器 1
A x( t)
图3.22 差动变压器式加速度传感器原理图
e2a
d 1
dt
, e2b
d 2
dt
1 N21, 2 N22
•
•
•
U E E 2
2a
2b jN2 (1 2 )
1
I1N1 Ra
,2
I1N1 Rb
设衔铁向上移动了，则
Ra
21 0s
2(0 0s
)
Ra
2 2 0s
2(0 0s
)
U• 2
jN1N2 I1
0S
2
(
0
1
0
1)
jN1 N 2
K Uo W2 Ui
W1 0
Uo
2 1
e2a e2a － e2b
e2b Uo
－
O
＋
1—理 想 特 性 ； 2—实 际 特 性
图3.12 变隙式差动变压器输出特性
分析结论：
K Uo W2 Ui
W1 0
① 首先，供电电源Ui要稳定（获取稳定的输出特性）； 其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以 变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。
2.传感器具有铁损，即磁化曲线的非线性； 3.电源电压中含有高次谐波； 4.线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间有分
布电容。
3.2.2 1. 工作原理
次级线圈1 初级线圈 次级线圈2
衔铁 壳体 骨架
图3.13 螺线管式差动变压器结构
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
③ 活动衔铁向下移动时
M1 =M-ΔM， M2 =M+ΔM Uo
故
Uo
E2a
E2b
2 jMU r1 jL1
2MU r12 (L1)2
. 与E2b同极性。当品质因数Q很大时，与U 1同相
3. 差动变压器式传感器测量电路
（1）差动变压
器的输出是交流电压(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);
N 2
jQ
•
N 2
Q
当Q很高时相位差90度的正交分量很小
1 N1 0 1 jQ
1 N1 0 1 1
Q2
(当Q 1时）
U•
N 2
1 N1 0
•
•
当向上为正时， U 2 与U 1 反相
•
•
当向下为负时， U
2
与U
同相
1
当r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中
的磁阻影响，可得变隙式差动变压器输出电压Uo的表达
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Uo=e2a-e2b≠0. ，即差动变压器有电压输出， 此电压的大 小与极性反映被测体位移的大小和方向。
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
只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，可得 到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。
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
故
M1 =M+ΔM， M2 =M-ΔM Uo
Uo
E2a
E2b
2 jMU r1 jL1
2MU r12 (L1)2
.
.
与E2a同极性，当品质因数Q很大时，与U 1反相
3.2.1
1. 工作原理
假设：初级绕组W1a=W1b=W1，次级绕组和W2a=W2b=W2
两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则
反相串联。
A
Ii
1
Ui
a
b
W1a C
W2a
e2a Uo
W1b
W2b
e2b
2 B
图3.11 变隙式差动变压器结构
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 ， 因 此 ， 差 动 变 压 器 输 出 电 压 Uo=e2a. e2b=0。
I1
0S
2
(
2
2 0
2
)
I1
U1 Z11 Z12
, Z11
R11
jL11, Z12
R12
jL12,
L11
N12 0 S 2a
, L12
N12 0 S 2b
U• 2
jN1N 2 I1
0S 2
2 ( 02
2
)
•
U
jN1N 2
0S 2
2 ( 02
2
)
R11
R12
jN12
1
0S
2
( 2 0 02
当Δx<0时：u0与uy’为同频反相。
不论u0与uy’是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的 输出电压表达式总是为
uy if
Rf
Rf u2 n1(R 2Rf )
x(t ) (a) o
uy
(b) o
uy
(c) o
(d )
u0
o
uy
(e) o
位移变 t 化波形
差动变压器激 t 磁电压波形
式，
.
Uo
b b
a a
W2 W1
Ui
分析. ：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0， 则Uo=0。但是 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
Uo
W2 W1
Ui 0
上式表明：变压器输出电压Uo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Uo与输入电压Ui反相（相位差180°）；而 当衔铁向下移动时，Δδ/δ0则为-|Δδ/δ0|，表明Uo与Ui同相。 图3.12所示为变隙式差动变压器输出电压Uo与位移Δδ的关 系曲线。 变隙式差动变压器灵敏度K
T2的中心抽头，则
u01
u02
u0 2n2
u1
u2
uy 2n1
采用电路分析的基本方法
if
u2
R 2
R
f
uy
if
Rf
Rf u2 n1(R 2Rf )
当u0与uy’均为负半周时：二极管VD2、VD3截止，VD1、 VD4导通。输出电压uo表达式相同。说明只要位移Δx>0，不 论u0与uy’是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电 压始终为正。
② 增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。 （ W2/W1影响变压器的体积及零点残余电压。一般选择传 感器的δ0为0.5 mm。）
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。
I1——初级线圈激励电流； r1、 L1——初级线圈直流电阻和电感。
根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为
E2a jM1I1 E2b jM 2I1
由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关
系可得
Uo
E2a
E2b
j ( M1
r1
M2 )U
jL1
上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率ω、 初级绕组 的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅 是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。
（2）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。
(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。
T
Ui
x
T
Ui
x
R0 Uo
(a)半波电压输出
a Tb
Ui
电压为
U2 U24 U68
以则有上当U时.2衔，4<铁因U.6在为8，零U.则2位4 U>.时2 <U，.06。因8 ，U为.2则的U.2U正4.=2负U.>6表08，；示所而衔以当铁U衔.位2=铁移0在；的零当方位衔向以铁。下在时零，位
（2）相敏检波电路
(2) 相敏检波电路
输入信号u2(差动变压器式传感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uo从变 压器T1与T2的中心抽头引出。
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 存在零点残余电压ΔUo。
⑤ 变压器副边开路的条件对由电子线路构成的测量电 路来讲容易满足，但如果直接配接低输入阻抗电路， 须考 虑变压器副边电流对输出特性的影响。
产生零位残余电压的原因如下：
1.差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可 能完全对称；
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 , r2b与L2b，分别为W1a ,
W1b , W2a, W2b绕阻的直流电阻与电感。
Ma
r1a
r2a
＋
E2a
＋
L1a
L2a
Uo
RL
Ui
Mb
r2b
－
E2b
L1b
L2b
－
r1b
图3.11 差动变隙式变压器的等效电路