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1、差动式传感器输出特性探讨姓名： 学号：0722216 班级：机制（2）班 2010/12/1差动式传感器输出特性探讨摘要：差动变压器式传感器，是将被测的非电量变化转变为线圈互感量变化的摹王这种传感器主要是根据变压器的原理制成的，由于各类传感器具有结构简单。灵敏度高等优点。广泛就用于位移量的测量本文通过对差动变压器式传感器的输出特性，结构原理，湿度特性、频率特性、残余电压等电气特性的分析，为传感器的设计选型提供了依据关键词：变压器、传感器、特性、线圈、铁芯一概述变压器式传感器也称为互感式传感器，是一种机电转换置。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，所以叫做差动变
2、压器式传感器，差动变压器主要由一个线框和一个铁心组成。在线框上绕一组初级线圈作为输入线圈，在周一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈。并在线圈中央圆柱孔中放入铁心。差动变压器式传感器结构有变隙式、变面积式和螺线管式等。其工作原理基本一样。即将铁芯的位移转换成与该电压信号。从而便于远距离显示、记录和自动控制。其优点是：(1)结构简单：工作中没有活动电接触点，因而更加可靠。(2)灵敏度高、分辨力大：能测出001 m甚至更小的机械位移变化而且传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大。(3)重复性好线性度优良。正因为上述优点，在现代工业生产和科学技术上，尤其在煤矿生产领域、粮食处理中心等自动控制系统中
3、应用十分广泛。二 变压器式传感器的结构原理和输出特性差动变压器式传感器的结构原理如图l所示。初级线圈，次级线圈1、2。当在初级线圈通人交流电流时两个同参数的次级线圈1、2中就产生感应电势输出。其大小与线圈之间的互感成正比。 图2差动变压器式传感器具体应用时将传感器的次级线圈的输出端反向串联，如图2，其输出特性如图3所示。当初级绕组1加以激励电压1时，根据变压器的丁作原理，在两个次级绕组中2a、2b便会产生感应电势2a、2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始位置时，必然会使两互感系数M1=M2 。根据电磁感应原理，将有2a=2b由于传感器的两个次级线圈反向串联，因而2=2a
4、-2b=0，即差动变压器的输出电压为零：当铁芯向上移动时，南于受磁阻的影响，2a中的磁通将大于2b ，使得M1M2，因而2a增加，2b减小。反之，2a 减小，2b增加，因此，无论铁芯如何移动，都会有2=2a-2b0，因此，两次级线圈的互感之差或两次级线圈的输出感应电势差值就能反映出被测位移。工作中，由于差动变压器的输出电压为交流量，其幅值与铁芯位移成正比，故从传感器的输出电压上，只能反映出铁芯位移的大小，不能反映位移的极性，其输出特性如图3所示。三、差动变压器式传感器的理论特性分析由于差动变压器式传感器在实际工作中，气隙作为变压器的一部分，随铁芯的位移在变化：而气隙的变化又能引起气隙导磁场和磁
5、阻等一系列参数的变化，所以，从理论上要想准确计算这些影响和变化等是非常困难的，只能作定性分析或标定处理。本文以理想差动变压器为研究模型，只对其基本电气特性进行分析。(一)差动变压器式传感器的电路分析传感器工作时。其磁滞损耗、涡流损耗及寄生电容等会对其产生一定的影响，为了能说明其原理，当忽略其影响时，可将它看作一个理想的差动变压器，其等效电路如图4所示。根据差动变压器的实际情况，当次级线圈开路时，即式中1激励电压1的角频率；1初级线圈激励电压；初级线圈激励电流；1、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： 式中：M1、M2分别为初级绕组与两次级绕组的互感系数。
6、由于次级两绕组反向串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得：输出电压的有效值：三种情况进行分析（1）活动衔铁处于中间位置时待添加的隐藏文字内容2（2）活动衔铁向上移动（3）活动衔铁向下移动分析此表达式，输出电压 是互感量 函数，而互感量肭变化是位移的单值函数，所以通过 的变化就能够测出位移的大小。同时通过电路的变换，还可以测出其极性。(二)差动变压器式传感器的残余电压所谓残余电压，即当差动变压器的铁芯位于传感器的中间位置时，差动传感器的输出电压并不为零，我们将差动传感器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。残余电压产生的原因主要是以下几方面原因：磁性材料的非线性；两次级绕组的电气参数与几何尺寸
7、不完全对称；以及电源电压波形失真及含有噪声等。残余电压的波形也非常复杂，主要由基波和高次谐波(主要是三次谐波)组成。实际使用中，不论怎样调整铁芯位置，两次级线圈中的感应电势均不能完全抵消。残余电压一般在几十毫伏以下，但它的存在使传感器的输出特性曲线不经过零点，造成理论特性和实际特性不完全一致。使测量存在一个不灵敏区，降低测量精度。实际使用时，应设法减小。为了达到能辨别铁芯移动方向及消除零点残余电压的目的，实际测量时，常采用相敏检波电路和低通滤波电路等补偿电路。使差动变压器式传感器输出直流电压。如图5。（三）差动变压器式传感器的频率特性由有效值公式可以看出，当初级电压U1一定时，U2是频率f的单
8、值函数，随激励频率f的变化，输出电压U2也发生变化。实验数据见表1(实验时输入电压为U1 =2v)，变化的曲线见图6、图7所示。从图6中可以看出负载开路时电压与激励频率间的关系，低频时(300 Hz)，输出电压与频率近似为线性关系，频率越高，输出越大；当激励频率高于400Hz时，输出电压不再变化，基本接近恒定值；从图7中可以看出当有负载时电压与激励频率间的关系，低频时和负载开路时电压与激励频率间的关系基本接近；激励频率高于400Hz时，输出电压随激励频率的增加而下降，并且频率越高，下降幅度越大。近乎一种曲线关系。四、结语差动变压器式传感器可以直接用于测量位移，也可以测量与位移有关的任何机械量。从表面上看，虽然差动变压器式传感器结构相对比较简单，但由于工作中影响因素较多，并且传感器本身在技术上和工艺上也比较复杂，所以在实际使用中，必须根据不同环境情况，合理选择传感器的电气参数和补偿电路，从而提高测量精度。参考文献l沈聿农传感器及应用技术M北京：化学工业出版社，20012宋文绪杨帆传感器与检测技术M北京：高等教育出版社，20053成述长机械量电测技术M北京：华中理工大学出版吐，19894袁希光传感器技术手册M北京：北京：国防工业出版社，1 9865强锡富传感器M北京：机械工业出版社，1994
