差动变压器式电感传感器的性能测试

3.通过本次实验进一步理解差动变压器式传感器零点残余电压的有 3.通过本次实验进一步理解差动变压器式传感器零点残余电压的有 关概念，掌握消除零点残余的基本原理和方法； 关概念，掌握消除零点残余的基本原理和方法； 4.掌握这种传感器基本性能的标定方法； 4.掌握这种传感器基本性能的标定方法； 掌握这种传感器基本性能的标定方法 5.进一步学习电桥网络的调零和双线示波器的使用技巧； 5.进一步学习电桥网络的调零和双线示波器的使用技巧； 进一步学习电桥网络的调零和双线示波器的使用技巧
5、差动变压器式电感传感器性能测试原理
本次实验是利用ZCY 本次实验是利用ZCY——1型传感器实验台提供的设备完成的。测试原理 ZCY 1型传感器实验台提供的设备完成的。 如图： 如图： 整个测试系统由激振源1、振动台2、支架3、测微头4、振动梁5、差动 整个测试系统由激振源1 振动台2 支架3 测微头4 振动梁5 变压器式电感传感器6、调零网络7、载波信号源8、移相电路9、电压表10、 变压器式电感传感器6 调零网络7 载波信号源8 移相电路9 电压表10、 10 低通滤器11和相敏检波电路12等部分组成。该系统用实训台上的振动梁来驱 低通滤器11和相敏检波电路12等部分组成。 11和相敏检波电路12等部分组成 动传感器的动铁芯，使之产生一位移X，从而使得传感器输出一个差动电压 动传感器的动铁芯， 使之产生一位移X 信号U01、U02；此信号经相敏检波后送低通滤波器，得到一与位移大小成正 信号U 此信号经相敏检波后送低通滤波器， 比、与位移方向有固定关系的电压量。通过螺旋测微头可对其进行标定。 与位移方向有固定关系的电压量。通过螺旋测微头可对其进行标定。
四、实验应会技能
1.差动变压器的输出特性测量 1.差动变压器的输出特性测量
① 观察差动变压器式电感传感器的外形构 并按图连接实验电路。 造，并按图连接实验电路。即将传感器的初 级绕组接音频振荡器，必须从Lv插口接出。 Lv插口接出 级绕组接音频振荡器，必须从Lv插口接出。 ②调整音频振荡器，用示波器测量，使其输 调整音频振荡器，用示波器测量， 出频率为4KHZ/2Vp-p；并从音频振荡器的Lv 出频率为4KHZ/2Vp并从音频振荡器的Lv 4KHZ/2Vp 端口输出。 端口输出。 ③ 旋动测微头并将其调整到15mm 处，记录此时从示波器上读出的输出电压u2的 旋动测微头并将其调整到15mm 记录此时从示波器上读出的输出电压u2 u2的 p-p数值并记录输入信号电压u1与输出信号电压u2的极性，填入表中。 数值并记录输入信号电压u1与输出信号电压u2的极性，填入表中。 u1与输出信号电压u2的极性 ④ 使差动变压器铁芯从上移至下，每隔1mm步进，从示波器上读出次级输出电压 使差动变压器铁芯从上移至下，每隔1mm步进， 1mm步进 （包括输出电压最小的那一点），将测试读据，填入表中。 包括输出电压最小的那一点），将测试读据，填入表中。 ），将测试读据
3、差动变压器式电感传感器性能参数的标定
性能参数的标定是用标准位移或标准信号对传感器的输出电压进行量化测 定的过程。内容主要包括按原理电路图接线，对系统进行调零，系统线性范围 的测定，各标准输出量的测量，电压灵敏度的计算等等。
三、实验应知知识
1.差动变压器式电感传感器的结构原理和性能特点 1.差动变压器式电感传感器的结构原理和性能特点
实验三
差动变压器式电感传感器的性能测试
一、实验目的：
1.通过本次实验使同学们进一步了解差动变压器式传感器的结构 1.通过本次实验使同学们进一步了解差动变压器式传感器的结构 原理； 原理； 2.掌握这种传感器的常用测量电路的工作原理和性能特点； 2.掌握这种传感器的常用测量电路的工作原理和性能特点； 掌握这种传感器的常用测量电路的工作原理和性能特点
Ｘ(mm) Ｖo(mv) 波 形 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5
ui u2
完成以下思考
此时注意观察示波器上差动变压器初、 此时注意观察示波器上差动变压器初、次级信号波形的相位 关系的变化，找出其与位移之间的对应关系。 关系的变化，找出其与位移之间的对应关系。当碰芯从上移到 下时，两者的相位由（ 相变为（ 下时，两者的相位由（ ）相变为（ ）相。 仔细调节测微头使次级的差动输出电压u2为最小， 仔细调节测微头使次级的差动输出电压u2为最小，通常将 u2为最小 CH2通道的 垂直”灵敏度打到较高档， 通道的“ CH2通道的“垂直”灵敏度打到较高档，这个最小电压叫做 （ ）可以看出它与输入电压的相位差约为 ），因此是 因此是（ 正交分量。 （ ），因此是（ ）正交分量。 根据所测结果，将零点残余电压最小，定为座标轴“ 点 根据所测结果，将零点残余电压最小，定为座标轴“0”点， 输入同相为正、反之为负。画出差动变压器输出电压特性（ 输入同相为正、反之为负。画出差动变压器输出电压特性（u2 曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度： p_p －X）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度：
∆V Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ∆X
2．差动变压器零点残余电压的补偿
差动放大器将增益旋到最大后进行调零。将音频振荡器调到4KHZ/2Vp 4KHZ/2Vp① 差动放大器将增益旋到最大后进行调零。将音频振荡器调到4KHZ/2Vp-p，上 述准备工作完毕、关闭电源。 述准备工作完毕、关闭电源。 按图连线，图中W1 W2、 W1、 为电桥电路中的调零网络。 ② 按图连线，图中W1、W2、r、C为电桥电路中的调零网络。完成后通电 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。再依次调整W1 W2使输出电 W1、 ③ 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。再依次调整W1、W2使输出电 压进一步减小。 压进一步减小。 用示波器观察CH2通道零点残余电压的波形， CH2通道零点残余电压的波形 ④ 用示波器观察CH2通道零点残余电压的波形，注意与激励信号电压波形相比 经过被偿后的残余电压波形为（ 波形。这说明波形中有（ 较。经过被偿后的残余电压波形为（ ）波形。这说明波形中有（ ）分 量。
2、工作原理分析如下： 工作原理分析如下：
差动变压器式传感器在工作时两个 副边绕组接成反向串联电路， 副边绕组接成反向串联电路，在线圈的 品质因数Q足够高的前提下（ 品质因数Q足够高的前提下（一般都能 满足），可忽略铁损、 ），可忽略铁损 满足），可忽略铁损、磁损及线圈分布 电容的影响，其等效电路如图所示。 电容的影响，其等效电路如图所示。 当原边绕组通以交流激励电压作用 时，在变压器副边的两个线圈里就会感 应出完全相等同的感应电势来。 应出完全相等同的感应电势来。由于是 反向串联，因此， 反向串联，因此，这两个感应电势相互 抵消， 抵消，从而使传感器在平衡位置的输出 为零。 为零。 当动铁芯产生一位移时， 当动铁芯产生一位移时，由于磁阻 的影响， 的影响，两个副边绕组的磁通将发生一 正一负的差动变化， 正一负的差动变化，导致其感应电势也 发生相应的改变，失去平衡， 发生相应的改变，失去平衡，使传感器 有一对应于动铁芯位移的电压输出量。 有一对应于动铁芯位移的电压输出量。
（1）结构原理图 差动变压器的结构原理如图所示：主要由原方绕组1 差动变压器的结构原理如图所示：主要由原方绕组1、两个匝数相等的副 边绕组4 动铁芯6 导磁外壳3和骨架5等六部分组成。 边绕组4和7、动铁芯6、导磁外壳3和骨架5等六部分组成。按其绕组的排列方 可将这种传感器分成一节、二节、三节、四节和五节等形式。 式，可将这种传感器分成一节、二节、三节、四节和五节等形式。前三种形式 结构简单、性能适中，使用较为广泛；后两种因结构太复杂而较少应用。 结构简单、性能适中，使用较为广泛；后两种因结构太复杂而较少应用。
3．差动变压器的标定
① 将差动放大器的增益打到最大，并作调零处理。再按图所示条件，确保无误 将差动放大器的增益打到最大，并作调零处理。再按图所示条件， 的连接好实验电路。尔后分别开启各使用处理电路模块的电源。 的连接好实验电路。尔后分别开启各使用处理电路模块的电源。 调整测微头，使差动变压器铁芯处于线圈的平衡位置（ 10mm处）。再微调 ② 调整测微头，使差动变压器铁芯处于线圈的平衡位置（即10mm处）。再微调 测微头和电桥调零网络的电位器W1 W2，使电压表指示最小或指零。 W1、 测微头和电桥调零网络的电位器W1、W2，使电压表指示最小或指零。 旋转测微头，给铁芯一个较大的向上的位移（ 位移3mm 13mm处），同时 3mm即 ③旋转测微头，给铁芯一个较大的向上的位移（如：位移3mm即13mm处），同时 用示波器观察相敏检波器端（ 的输出波形，并记录之。调整移相器电位， 用示波器观察相敏检波器端（6处）的输出波形，并记录之。调整移相器电位， 使电压表指示为最大。 使电压表指示为最大。 ④旋动测微头，使铁芯从向上的较大位移移至向下的较大位移（即8mm处），用 旋动测微头，使铁芯从向上的较大位移移至向下的较大位移（ 8mm处），用 示波器观察相敏检波器端（ 的输出波形，并记录之。 示波器观察相敏检波器端（6处）的输出波形，并记录之。
二 、 实验内容
1差动变压器式电感传感器基本性能试验
基本性能试验主要是对传感器的工作原理进行验证，通过振动台或调节螺 旋测微头给传感器输入一位移信号，用又线示波器或液晶电压表来观察传感器 的输出电压情况，看看是否与理论相符。如有较大出入则应查找原因，设法排 除。
2、差动变压器式电感传感器零点残余电压的测试与补偿
4.零点残余电压及其补偿 4.零点残余电压及其补偿
差动变压器在平衡位置时的输出电压也是不可能等于零的， 存在一较小的输出电压。一般将此电压称为差动变压器式电感传 感器的零点残余电压。产生零点残余的原因主要有：两个副边绕 组的电气参数及几何结构不可能完全对称，以及磁性材料在磁化 时的非线性（如磁饱和、磁滞）等。零点残余电压包含有基波分 量、高次谐波等成分，基波分量主要是由于传感器的两个副边绕 组在材料或工艺等方面的差异，引起其等效电路的电气参数不同 造成的；高次谐波主要是由于导磁材料的磁化曲线存在着非线性 而造成的；在实际应用中必须采取一定的补偿措施。 动变压器式电感传感器的零点残余电压的补偿措施主要有： 一是在传感器的结构设计和制作工艺上采取一定的措施来消除。 如几何尺寸尽量做得要对称，要选用导磁率高、磁滞小的导磁材 料，铁芯要经过热处理，磁路要保证工作在线性区等；二是在处 理电路上采取一些措施，如采用带相敏检波的整流电路等；三是 处理电路中专门设置补偿环节，如串、并联电阻补偿或并联电容 补偿等；
3、差动变压器的性能特点
差动变压器的输出电压在理想状态下与输入位移成线性关系， 差动变压器的输出电压在理想状态下与输入位移成线性关系， 但实际工作时其线性度受位移量大小的影响较大， 但实际工作时其线性度受位移量大小的影响较大，在位移小时线性 尚好，但位移一大线性就很差。 尚好，但位移一大线性就很差。影响因素主要有线圈骨架的形状及 机械结构精度，线圈的排列状况，铁芯的几何结构、 机械结构精度，线圈的排列状况，铁芯的几何结构、材质和尺寸精 度及励磁频率和负载大小等许多因素。要提高其线性度， 度及励磁频率和负载大小等许多因素。要提高其线性度，应使它的 测量范围不超过线圈框架长度的1/4 励磁频率应采用中频， 1/4， 测量范围不超过线圈框架长度的1/4，励磁频率应采用中频，最好 配用相敏检波器。 配用相敏检波器。 差动变压器的灵敏度是其最主要的性能指标， 差动变压器的灵敏度是其最主要的性能指标，它是指动铁芯在 产生单位位移时所引起的输出电压量， 产生单位位移时所引起的输出电压量，一般用输出电压的增量与动 铁芯位移增量之比表示， KU=∆U/∆ 铁芯位移增量之比表示，即：KU=∆U/∆X。影响因素主要有副边绕组 的线圈匝数和原边绕组的励磁电压及频率等。
差动变压器式电感传感器零点残余电压的测试与补偿方法是：将传感器 接音频信号源，调节螺旋测微头，使传感器的输入为零，用示波器或液晶电 压表观察其输出电压，可以测出传感器零点电压的大小，应将放大器增益调 至最大。零点残余的补偿可以通过调节电位器1和2来实现，反复调节电位器， 使传感器在输入为零时的输出也为零，就达到了对零点残余电压补偿的目的。