差动式传感器

电势的表达式为
E2a jM1I1 E2b jM2I1
U 2e2Ae2BjrM 1 1 j M L 1 2U 1
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图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线
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３. 主要性能
（1）灵敏度 （2）线性度
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灵敏度与线性度
差动变压器的灵敏度一般可达 0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。
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1. 工作原理
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δa0 =δb0=δ0 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
U 2 e2a e2b 0
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 两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压
e2
-x
0
差动式传感器
e20
xቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4. 零点残余电压及消除方法
零点残余电压产生原因：
①基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一 致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻 R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不 等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质 的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与 所产生的磁通相位不同。
在次级绕组侧并联电容。由于两
个次级线圈感应电压相位不同，并
联电容可改变绕组的相位，并联电
阻R是为了利用R的分流作用，使流 入传感器线圈的电流发生变化，从
U1
而改变磁化曲线的工作点，减小高
次谐波所产生的残余电压。
差动式传感器
R
C
U 0
(a)
补偿零点残余电压的电路
C R1
L
U1
W U 0
②高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非 线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励 电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波) 磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励 电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致 零点残余电压中有高次谐波成分。
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消除零点残余电压方法：
3.2 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，把被测位移 量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当 一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势， 当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个 二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛 的结构型式是螺线管式差动变压器。
U 2 e2a e2b 0
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。
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２.输出特性
U.2
b b
a a
W2 W1
U.1
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如果被测体带动衔铁移动
U 2
W2 W1
U1
0
KU2 W2 U1
W1 0
（１）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;
1．从设计和工艺上保证结构对称性
为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈
选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫
顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应
力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素
可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。
e2
2．选用合适的测量线路
采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移 1 动方向，而且把衔铁在中间位置时， 因高次谐波引起的零点残余电压消除 -x
掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行 2 程时的特性曲线由1变到2，从而消除
+x 0
了零点残余电压。
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相敏检波后的输出特性
补偿零点残余电压的电路
差动式传感器
补偿零点残余电压的电路
在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元 件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。
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３.２.２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方法 5. 转换电路
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１. 工作原理
螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、
四节式和五节式等形式。
1
21 2
1
1
12 1 2 1
3 2
2
3
图3-10 差动变压器线圈各种排列形式 1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁
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，四节式和五节式改善了传感器线性度。
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在理想情况下(忽略线圈寄生电容及 衔铁损耗)，差动变压器的等效电路 如图。初级线圈的复数电流值为
I1
R1
e1
jL1
ω—激励电压的角频率； e1—激励电压的复数值； 根据电磁感应定律，次级绕组中感应
（２）增加W2/W1的比值和减 少δ0都能使灵敏度K值提高;
（３）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;
（４）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;
（５）上述推导是在变压器副 边开路的情况下得到的。
图3.2.3 变隙式差动变压器输出特性 １ 理想特性；２ 实际特性
1.变隙式 2.变面积式 3.螺线管式
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(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差差动式动传感变器 压器
3.2.1 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，输出电压将作相应变化
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。
为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右 为宜。电源频率以400Hz~10kHz为好。
差动变压器线性范围约为线圈骨架长度 的1/10左右。
例：欲测量20mm2mm轴的直径误 差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变 压器（或电感传感器）为宜 ？
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4. 零点残余电压及消除方法
当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电 压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小 的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。 如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存 在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使 放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。