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1、word关键词语：差动变压器式传感器工作原理，螺线管式差动变压器结构图，差动变压器等效电路图，差动变压器根本特性，差动变压器式传感器测量电路，差动整流工作原理，差动整流电路，相敏检波电路图，差动变压器式加速度传感器原理图，差动变压式传感器的应用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量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根本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 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, 但其工作原理根本一样。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1100mm围的机械位移, 并具有
2、测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。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, 但其工作原理根本一样。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1100mm围的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。一、工作原理螺线管式差动变压器结构如图 4 -10 所示, 它由初级线圈#, 两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型, 如图 4 - 11 所示。一节式灵敏度高, 三节式零点剩余电压较小, 通常采用的是二节式和三节式两类。图
3、4-11 螺线管式差动变压器结构图差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联, 并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路如图 4 - 12所示。当初级绕组w1加以激励电压时, 根据变压器的工作原理, 在两个次级绕组w2a和w2b中便会产生感应电势和。如果工艺上保证变压器结构完全对称,如此当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有。由于变压器两次级绕组反向串联, 因而, 即差动变压器输出电压为零。图4-12 差动变压器等压电路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M1M2, 因而增加, 而减小。反之,
4、 增加, 减小。因为, 所以当、随着衔铁位移x变化时,也必将随x变化。图 4 - 13 给出了变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线。实际上, 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剩余电压，记作, 它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。零点剩余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以与磁性材料的非线性等问题引起的。零点剩余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，
5、因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点剩余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小, 否如此将会影响传感器的测量结果。二、根本特性差动变压器等效电路如图 4 - 12 所示。当次级开路时有 (4 - 23)式中: 激励电压的角频率; 初级线圈激励电压; 初级线圈激励电流; r1、 L1初级线圈直流电阻和电感。根据电磁感应定律, 次级绕组中感应电势的表达式分别为:由于次级两绕组反向串联, 且考虑到次级开路, 如此由以上关系可得: (4 - 26)输出电压的有效值为 (4 -
6、 27)下面分三种情况进展分析。(1) 活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M故=0 (2) 活动衔铁向上移动时 M1=M+M M2=M-M故=2M/r21+L121/2, 与同极性。 (3) 活动衔铁向下移动时 M1=M-MM2=M+M故 , 与同极性。三、差动变压器式传感器测量电路差动变压器输出的是交流电压, 假如用交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 而不能反映移动方向。另外, 其测量值中将包含零点剩余电压。为了达到能区分移动方向与消除零点剩余电压的目的, 实际测量时, 常常采用差动整流电路和相敏检波电路。1. 差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整
7、流的电压或电流的差值作为输出, 图 4 - 14 给出了几种典型电路形式。图中a、c适用于交流负载阻抗, b、d适用于低负载阻抗, 电阻R0用于调整零点剩余电压。下面结合图 4 - 14c, 分析差动整流工作原理。图4-14 差动整流电路从图 4 - 14c电路结构可知, 不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何, 流经电容C1的电流方向总是从 2 到 4, 流经电容C2的电流方向从6到8, 故整流电路的输出电压为U2=U24-U68(4 - 28)当衔铁在零位时, 因为U24=U68 , 所以U2=0; 当衔铁在零位以上时, 因为U24U68, 如此U20; 而当衔铁在零位以下时, 如此有U2
8、4U68, 如此U2 0时, u2与u0同频同相, 当位移x 0时, u2与u0为同频同相, 当u2与u0均为正半周时, 见图 4 - 15a, 环形电桥中二极管VD1、D4截止, VD2、VD3导通, 如此可得图 4 - 15b的等效电路。图 4 15 波形图根据变压器的工作原理, 考虑到O、M分别为变压器T1、 T2的中心抽头, 如此有u01= u02= (4 - 29) u21= u22=(4 - 30)式中 n1#, n2为变压器T1、T2的变比。采用电路分析的根本方法, 可求得图 4 - 15b所示电路的输出电压uL的表达式: 同理当u2与u0均为负半周时, 二极管VD2、VD3截止
9、, VD1、 VD4导通。其等效电路如图 4 - 15c所示, 输出电压uL 表达式与式(4 -31一样, 说明只要位移x0, 不论u2与u0是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压uL始终为正。当x0时,u2与u0为同频反相。采用上述一样的分析方法不难得到当x0时, 不论u2与u0是正半周还是负半周, 负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为所以上述相敏检波电路输出电压uL的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律, 即uL的值反映位移x的大小, 而uL的极性如此反映了位移x的方向。四、差动变压式传感器的应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量, 也可以测量与位移有关的任何机械量, 如振动、加速度、应变、比重、力和厚度等。图 4 - 17 所示为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁 1 和差动变压器 2 构成。测量时, 将悬臂梁底座与差动变压器的线圈骨架固定, 而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以x(t)振动时, 导致差动变压器的输出电压也按一样规律变化。图 4 - 17差动变压器式加速度传感器原理图8 / 8
