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1、Sensor&Detecting Technology,主要内容3.1 自感式传感器3.2 差动变压器3.3 电容传感器3.4 电涡流式传感器,第三章 变阻抗式传感器原理与应用,3.2 差动变压器,互感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。差动变压器式传感器次级绕组用差动形式结构：变隙式、变面积式、螺线管式优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠,3.2.1 变隙式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器3.2.3 差动变压器应用,3.2 差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,由衔铁、初级线圈、次级线圈、线圈框架组成。W1a及W1b为初级绕组，W2
2、a及W2b为次级绕组，C为衔铁。,为反映差值互感，将两个初级绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压U1两个次级绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电势U2。,1.工作原理,3.2 差动变压器,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a0=b0=0。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，差动变压器输出电压：U2=e2a-e2b=0。,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,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ab，互感MaMb，两次级绕组
3、的互感电势e2ae2b，输出电压U2=e2a-e2b0，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。,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,2.输出特性,在忽略铁耗（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下等效电路。r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕组的电阻与电感。,3.2 差动变压器,当r1aL1a，r1bL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，得变隙式差动变压器输出电压U2的表达式，即,分析：当衔铁处于初始平衡位置
4、时，因a=b=0，则U2=0。如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动（假设向上移动为正）时，则有a=0-，b=0+，代入上式可得,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,上式表明：变压器输出电压与衔铁位移量/0成正比。“”号的意义:当衔铁向上移动时，/0定义为正，变压器输出电压与输入电压Ui反相（相位差180）；当衔铁向下移动时，/0则为-|/0|，表明Uo与Ui同相。,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 差动变压器,变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为,3.2.1 变隙式差动变压器,首先，供电电源U1要稳定（获取稳定的输出特
5、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。增加W2/W1的比值和减小0都能使灵敏度K值提高。（W2/W1影响变压器的体积及零点残余电压。一般选择传感器的0为0.5 mm。）,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,变隙式差动变压器输出电压U2与位移的关系曲线。,零点残余电压：差动变压器可动衔铁处在中间位置时，理想条件下U0=0；而实际U0为几mV到几十mV。（严格对称）,3.2.1 变隙式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器3.2.3 差动变压器应用,
6、3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,1.工作原理,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,1.工作原理,两个次级线圈反相串联，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。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,1.工作原理,当初级绕组加以激励电压U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E2a和E2b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平衡位置时,必然会使两互感M1=M2。根据电磁感应原
7、理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b=0，即差动变压器输出电压为零。,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,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M1M2，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。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电
8、压不等于零。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Uo，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全一致。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，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（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。磁化曲线是表示物
9、质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,2.基本特性,根据差动变压器等效电路。当次级开路时,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为,由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,上式说明，当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组
10、之间互感之差的函数。只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。,输出电压的有效值为,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,Uo=0,活动衔铁向上移动时,M1=M+M M2=M-M,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,活动衔铁向下移动时,M1=M-M，M2=M+M,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.主要性能（1）灵敏度,差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位
11、距离时的输出电压，以(V/mm)/V表示。,OA段:kE随f的增加而增加AB段：kE 趋于定值。BC段：铁芯有效阻值增大，铁芯发热，kE随f的增加而下降。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,（2）线性度,线性度:传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。影响差动变压器线性度的因素:骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中频。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2
12、 螺线管式差动变压器,4.零点残余电压及消除方法,零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,4.零点残余电压及消除方法,产生零点残余电压的原因：（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯（导磁材料）的磁化曲线的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。,3.2.
13、2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向)（2）测量值中将包含零点残余电压,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，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,3.2.2 螺线管式差动变压器,5.转换电路,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,5.转换电路,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,5
14、.转换电路,从图（c）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的电压是U24，流经电容C2的电压U68，故整流电路的输出电压为,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.2 螺线管式差动变压器,5.转换电路,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U24 U68，则U2 0；而当衔铁在零位以下时，则有U24 U68，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。,3.2.2 螺线管式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器3.2.3 差动变压器应用,3.2 差动变压器,3
15、.2 差动变压器,3.2.3 差动变压器应用,可直接用于位移测量，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、张力和厚度等。,测量时，将悬臂梁底座及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，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。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相同规律变化。,3.2.3 差动变压器应用,3.2 差动变压器,差动变压器式加速度传感器,3.2 差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器（掌握）3.2.2 螺线管式差动变压器（掌握）3.2.3 差动变压器应用（了解）,3.2 差动变压器,3.2 差动变压器小结,3.2 差动变压器,
