差动变压器及应用

差动变压器及其应用

一、差动变压器简介（摘自日刊《传感器技术》1986年5月专号）

差动变压器是一种将机械位移变换成电信号的电磁感应式位移传感器。它主要是靠圆筒线圈内的可动铁芯的位移，在圆筒线圈的输入线圈和输出线圈之间建立起相互感应关系，可动铁芯的位移可以通过测定与其成正比的输出线圈的感应电压来获得。

1、差动变压器的特点

（1）线性范围的种类很多，容易根据用途进行选择，通常在±2mm～±200mm级之间有10个左右类型的品种。

（2）结构简单，所以耐振性和耐冲击性都很强。

（3）不磨损，不变质，耐久性优良。

（4）输出电压对铁心的位移有精确的比例，即直线性好。一般这种传感器中全行程偏差小于1%，在高档品可以保证在±0.2%～±0.3%。

（5）因为灵敏度高，可以获得大的输出电压，不要求外围电路高级化也能检测到微小的位移。

（6）因为输出变化平滑，故能进行高分辨率的检测。

（7）零点稳定，以其作为测定的基准点对维持精度有好处。

（8）能够得到从500Hz到100Hz的高的响应速度。

2、差动变压器原理

差动变压器的构造原理如图1-1所示，由圆筒形线圈和与其完全分离的铁芯构成。典型的差动变压器的圆筒线圈有三只，各是总长度的三分之一，中间是一次线圈，两侧是二次线圈。加入圆筒线圈中的铁芯用来在线圈中链接磁力线而构成磁路。

当在中间的一次线圈加上交流电压时（即激磁），由于与两端线圈的互感就产生了电动势（这一点与普通变压器相同）。

因为二次线圈彼此极性相反地串联，两个二次线圈中的感应电动势相位相反，将其相加的结果，在输出端产生二者的电位差。相对于线圈长度方向的中心处，两个二次线圈的感应电压大小相等方向相反，因而输出为零。这个位置被称为差动变压器的机械零点（或简称为零点）。当铁芯从零点相某一方向改变位置时，位移方向的二次线圈的电压就增大，另一个二次线圈的电压则减小。

产品设计保证产生的电位差与铁芯的位移成正比。当铁芯从零点向与刚才相反的方向移动

时，就会同样产生成正比的电压，但是相位与刚才的情况相差180°。相对于铁芯位移的二次线圈电压和输出电压差的关系示于图1-2。

电压差和铁芯位移成正比的范围称为直线范围，其比例性称为线性，是差动变压器最重要

的一项指标。

图1-1 差动变压器构造原理

图1-2 差动变压器铁芯位移—输出关系

3、种类 差动变压器分类的依据有如下几种：

（1）根据输入到一次线圈的电压（激磁类型）：

▲ 商用电源型，适用于50～60Hz ，6.3V 电源激磁的实用测量仪器；

＋X

－

X ＋X

－

X

P

零点

x

▲振荡电源型，是由1～5KHz的振荡电路激磁的方式，适用于要求一定精度和响应特性的应用测量仪表；

▲直流电源型，在差动变压器的线圈部分安装半导体器件构成线圈内部的激磁振荡电路和二次输出检波电路，是输入和输出皆为直流的差动变压器，叫做DC—DT。

（2）根据铁芯的位移1范围（位移类型）：

◆微小位移型，从结构上考虑了怎样用于计测0.5mm以下的微小位移；

◆一般位移型，大约以100mm以下的位移为计测对象；

◆长行程型，以120～400mm级的长行程的测量为对象。

（3）根据使用环境（环境类型）：

■标准型，在温度为-30～+90℃，湿度为80%左右的通常环境中使用；

■耐环境型，用于高温、高湿、防水和耐放射性等环境的传感器。

4、外观和结构

标准的差动变压器由圆筒形的线圈和棒状的铁芯构成，在实际使用中也有装上导座和弹簧的结构，见图1-3（略）。

特性和规格

将差动变压器作为位置传感器时，选择的规格项目如下：

◆激磁电源（频率、电压、波形等）；

◆结构（是否需要导座和弹簧）；

◆线性范围（通常为±1%，高档品为±0.5%～±0.2%）；

◆灵敏度（对应铁芯位移1mm的输出）；

◆阻抗（输入端、输出端阻抗）；

◆连接条件（电缆、插座、输入电路等）；

◆装配方法（与被测对象的连接方法等）；

◆环境条件（温度、湿度、灰尘、防水性、防锈条件等）。

5、应用

因为差动变压器作为位移传感器的优良特性，几乎在一切工业领域得到了应用，下面介绍几个具体例子。

（1）钢铁工业：高炉的炉顶水平检测、连续铸造轧辊间隙、砂型振动、凸度等检测，铁水包、中间包等滑动水口的位置检测等。

（2）重型电机工业：蒸汽透平的主阀、旁通阀的阀升程检测，升降机的姿势监控等。

（3）工程机械工业：数控机床模拟检测用的测量头。

（4）陶瓷工业：耐火材料的热膨胀检测，模板玻璃的形状检测。

（5）船舶、车辆工业：柴油机的燃料分类位置检测，汽车发动机的燃料喷射阀的动态特性检测，轮胎、车轮的偏心量检测。

（6）测重机工业：自动计量袋装重量的装置，沥青送料装置计重机。

（7）计测仪器、试验机工业：用于金属材料和塑料等牵引试验、蠕变试验，流量计、液面计的信号变换部分，土木建筑构件的机械试验。

（8）一般工业：组装轴承的隔片选片机，冲压时的动作偏差检测，工件的尺寸和形状偏差检测等。

二、差动变压器（摘自《非电量电测技术》）

此处仅列出提纲，深入研究请查看原文。

1、工作原理与结构

差动变压器的结构分为变隙式和螺线管式两种，变隙式差动变压器由于行程很小，结构也较复杂，因此目前已很少采用，而大多数采用螺管式。

螺管式差动变压器的基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串联而成，形成变压器的副边。根据初、次级排列形式不同有二节式、三节式和多节式。三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式都是为了改善传感器线性而作的努力。

差动变压器的工作原理可以用变压器原理来解释，不同之处是：一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路；一般变压器原、副边的互感是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动而变化。差动变压器工作正是建立在互感变化的基础上。

2、线性度与灵敏度

（1）线性度。差动变压器的线性范围受到螺管线圈轴向磁场不均匀的影响。靠合理的设计保证所要求的线性范围和线性度。

（2）灵敏度。差动变压器的灵敏度是指衔铁移动单位位移时所产生的输出电势的变化，可用mV/mm来表示；在实用中考虑到激励电压的影响，还常用mV/mm/V来表示，即衔铁单位位移所产生的电势变化除以激励电压值。

差动变压器灵敏度的高低与初级电压、次级绕组匝数和激励电压的频率有关：

①与次级匝数的关系

次级匝数增加，灵敏度增加，二者呈线性关系。但是次级匝数不能无限制增加，因为差动变压器零点残余电压也随之变大。

②初级电压

灵敏度与初级电压成正比关系，但初级电压也不能过大，过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，一般采用3～8V。

③激励电源频率

在频率很低时，灵敏度随频率增加而增加；当频率升高，线圈的感抗大大高于其电阻时，灵敏度与频率无关；当频率超过某一数值时（该值因衔铁材料而不同），由于高频时导线的