电感式传感器B--差动变压器式传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2
3.2.1 变隙式差动变压器 1. 工作原理 假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图3-11（a）所示，
在 A 、 B 两 个 铁 芯 上 绕 有 W1a=W1b=W1 的 两 个 初 级 绕 组 和
W2a=W2b=W2两个次级绕组。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相串联。
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。
② 增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。然而， W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关，不论从灵敏 度考虑，还是从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的 δ0愈小愈好。为兼顾测量范围的需要，一般选择传感器的δ0为0.5 mm 。
8
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。
3
A Ii
1
U1
1
2
U i
a
b
W1a
W2a
C
e2a
U o
W1b
W2b
e2b
2
U 2
B
(a)
(b)
图 3-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、 （b） 变隙式差动变压器; （c）、 （d） 螺线管式差动变压器
4
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。
b b
a a
W2 W1
U. 1
6
如果被测体带动衔铁移动
U 2
W2 W1
U 1
0
K U 2 W2 U1
W1 0
图3-13 变隙式差动变压器输出特性
１ 理想特性；２ 实际特性
7
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K值，但要 以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。
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3-13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。
实际特性曲线。由图 3-17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13全一致。
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。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图3-15 线圈排列方式
（a） 一节式; （b） 二节式; （c） 三节式; （d） 四节式11; （e） 五节式
图3-17 差动变压器输出电压的特性曲线
12
零点残余电压：
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。. .
..
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3- 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
第3百度文库 电感式传感器
3.1 变磁阻式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.7 电涡流式传感器
1
3.2 差动变压器式传感器
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较多，有变隙式、变面积式和螺线管 式等，图3-11为差动变压器的结构示意图。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。
9
3.2.2 螺线管式差动变压器 1. 工作原理 １-活动衔铁；２-导磁外壳； ３-骨架；４-匝数为W1初级绕组； ５-匝数为W2a的次级绕组； ６-匝数为W2b的次级绕组
10
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3-15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。
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。
14
消除零点残余电压方法：
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。
5
２.输出特性
图3-12 变隙式差动变压器等效电路
U. 2
3.2.1 变隙式差动变压器 1. 工作原理 假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图3-11（a）所示，
在 A 、 B 两 个 铁 芯 上 绕 有 W1a=W1b=W1 的 两 个 初 级 绕 组 和
W2a=W2b=W2两个次级绕组。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相串联。
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。
② 增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。然而， W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关，不论从灵敏 度考虑，还是从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的 δ0愈小愈好。为兼顾测量范围的需要，一般选择传感器的δ0为0.5 mm 。
8
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。
3
A Ii
1
U1
1
2
U i
a
b
W1a
W2a
C
e2a
U o
W1b
W2b
e2b
2
U 2
B
(a)
(b)
图 3-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、 （b） 变隙式差动变压器; （c）、 （d） 螺线管式差动变压器
4
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。
b b
a a
W2 W1
U. 1
6
如果被测体带动衔铁移动
U 2
W2 W1
U 1
0
K U 2 W2 U1
W1 0
图3-13 变隙式差动变压器输出特性
１ 理想特性；２ 实际特性
7
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K值，但要 以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。
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3-13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。
实际特性曲线。由图 3-17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13全一致。
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。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图3-15 线圈排列方式
（a） 一节式; （b） 二节式; （c） 三节式; （d） 四节式11; （e） 五节式
图3-17 差动变压器输出电压的特性曲线
12
零点残余电压：
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。. .
..
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3- 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
第3百度文库 电感式传感器
3.1 变磁阻式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.7 电涡流式传感器
1
3.2 差动变压器式传感器
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较多，有变隙式、变面积式和螺线管 式等，图3-11为差动变压器的结构示意图。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。
9
3.2.2 螺线管式差动变压器 1. 工作原理 １-活动衔铁；２-导磁外壳； ３-骨架；４-匝数为W1初级绕组； ５-匝数为W2a的次级绕组； ６-匝数为W2b的次级绕组
10
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3-15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。
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。
14
消除零点残余电压方法：
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。
5
２.输出特性
图3-12 变隙式差动变压器等效电路
U. 2