3.2变压器式传感器

3.2 变压器式传感器

变压器式传感器把被测量的变化转换为变压器互感的变化，变压器的初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应输出电势，由于互感式传感器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动变压器式传感器。

3.2.1 结构与原理

图3.2.1是一个π型差动变压器，它由两个π型铁心、一个活动衔铁及多个铁心线圈组成。线圈1和

线圈2顺串组成初级绕组，U 加在初级绕组的激励电压。线圈3和线圈4反串组成次级绕组，其输出电压为sc

U 。

图3.2.1

π型差动变压器的结构原理 图3.2.2 差动变压器输出特性曲线

初次级线圈间的耦合程度与衔铁的位置有关。假如衔铁上移，则线圈1、3间的耦合加强，它们间的互感增大，而线圈2、4间的耦合程度减弱，它们间的互感减小。因此，差动变压器的初次级线圈间的耦合程度将随衔铁的移动而改变，即被测量位移可转换为传感器的互感变化，当用一定频率的电压激励初级

绕组时，次级的输出电压sc

U 与互感的变化有关，这样，将被测位移转换为电压输出。 差动变压器与一般变压器不同，一般变压器为闭合磁路，初次级的互感为常数，而差动变压器由于存

在铁心气隙，是开磁路，且初次级的互感随衔铁位移而变化，另外，差动变压器的两个次级线圈按差动方

式工作，输出电压12

sc U U U =- 。 1）当衔铁位于中间位置时，1212,,0sc M M U U U === ； 2）当衔铁向上移动，12M M >，12U U > ，0sc U > ； 3）当衔铁向下移动，12M M <，12U U < ，0sc

U < 。 所以，当衔铁偏离中心位置时，输出电压sc

U 随偏离的增大而增加，但上、下偏移的相位差180°，如图3.2.2所示。实际上，衔铁位于中心位置时，输出电压sc U 并不等于零，而是z

U ，它是零点残余电压，其产生原因很多，主要是由变压器的制作工艺和导磁体安装等问题引起。z U 一般在几十毫伏以下，实际使用中，必须设法减小z

U ，否则会影响测量结果。 3.2.2 等效电路

在忽略线圈寄生电容、铁心涡流损耗及磁滞损耗的情况下，一个理想的差动变压器可等效为图3.2.3

所示的电路。

图3.2.3 差动变压器等效电路

由于初级线圈1、2正向串接（见图3.2.1），可等效为一个初级线圈。1R 、1L 为初级线圈的损耗电阻

及电感；U 和I 为初级线圈的激励电压和电流；角频率为ω；21R 和22R 为两个次级线圈的损耗电阻；21L 和22L 为两个次级线圈的电感；1M 和2M 为初级线圈与两次级线圈间的互感系数；1U 和2U 为两次级线圈的感应电势；sc

U 为输出电压。 当次级开路时，初级线圈的交流电流为

11

U I R j L ω=

+

次级线圈感应电势为

11

U j M I ω=- 22

U j M I ω=- 差动变压器输出电压为

()1212

sc U U U j M M I ω=-=-- ()

1211

U j M M R j L ωω=--+

输出电压有效值为

sc M M U U ω-=

下面分为三种情况进行分析：

1）衔铁处于中间位置时，12,0sc

M M M U === 。这时单个次线线圈的感应电势为

12

11

U U U j M R j L ωω==-+

012

E U U === 2）当衔铁向上移时，12,M M M M M M =+∆=-∆，则

11

2sc

M U U j R j L ωω∆=-+

有效值为

02sc M U E M

∆=

=⋅

与1

U 同极性。 3）当衔铁向下移时，12,M M M M M M =-∆=+∆，则

11

2sc

M U U j R j L ωω∆=+

有效值为

02sc M U E M

∆=

=⋅

与2

U 同极性。 输出阻抗及模为

21222122Z R R j L j L ωω=+++

Z =

这样，从输出端看进去，差动变压器可等效为复阻抗为Z ，电压为sc

U 的一个电压源，如图3.2.4所示。

图3.2.4 差动变压器等效电压源 图3.2.5 激励频率与灵敏度的关系

差动电桥灵敏度为

sc U k M

=

=

∆当传感器的激励工作频率ω很低时，即11L R ω<<，则

1

2U k R ωω≈

∝

当频率增高，11L R ω>>，则

1

1

22U

U k L L ωω≈

=

与ω无关。

当频率继续增加，由于导线的趋肤效应和铁损等影响，灵敏度k 下降。根据激励频率与灵敏度的关系（如图3.2.5所示），应选取较高的激励频率，以保证灵敏度不变，并与ω无关。

3.2.3 测量电路 差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟数字电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动方向；另外，其测量值必定含有零点残余电压。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，常采用两种测量电路，即差动整流电路和相敏检波电路。

1 差动整流电路

这种电路把差动变压器的两个次级线圈的感生电压分别整流，然后再将整流后的电压或电流的差值作为输出。现以电压输出型全波整流电路为例说明其工作原理，其电路如图3.2.5所示。

图3.2.5 差动整流电路（电压输出型，全波）

图3.2.5中，假设某瞬时载波为正半周，即上线圈a 端为正，b 端为负，下线圈c 端为正，d 端为负。在上线圈中，电流自a 点出发，路径为a →1→2→4→3→b ，流过电容的电流方向是2→4，电容上的电压为

24U 。在下线圈中，电流由c 点出发，路径为c →5→6→8→7→d ，流过电容的电流方向是6→8，电容上的电压为68U 。总的输出电压24862468

sc U U U U U =+=- 。 当载波为负半周时，上线圈a 端为负，b 端为正，而下线圈c 端为负，d 端为正。在上线圈中，电流由 b 点出发，路径为b →3→2→4→1→a ，流过电容的电流方向是2→4，在下线圈中，电流由d 点出发，路径

为d →7→6→8→5→c ，流过电容的电流方向仍是由6→8，总的输出电压2468

sc U U U =- 。