第4章电感式2差动变压器

1、 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 把把被测量被测量的变化转换为的变化转换为线圈互感线圈互感的的变化的传感器称为互感式传感器。变化的传感器称为互感式传感器。 根据变压器原理制成，根据变压器原理制成， 次级绕组用差动形式连接，次级绕组用差动形式连接， 故称为差动变压器式传感器。故称为差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式：差动变压器结构形式： 变隙式变隙式 变面积式变面积式 螺线管式螺线管式 应用最多的是应用最多的是螺线管式螺线管式差动变压器。差动变压器。 它可以测量它可以测量1100mm机械位移，机械位移， 测量精度高测量精度高 灵敏度高灵敏度高 结构简单结构简单 性能可靠。性能

2、可靠。 4.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器 1. 变隙式差动变压器传感器的结构变隙式差动变压器传感器的结构差动变压器式传感器的结构示意图 （a） 变隙式差动变压器; iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b) 两个初级绕组的同名端两个初级绕组的同名端顺向顺向串联。串联。 顺向顺向串联：串联： 两个绕组的两个绕组的异名端异名端相联。相联。 两个次级绕组的同名端两个次级绕组的同名端反相反相串联。串联。 反向反向串联：串联： 两个绕组的两个绕组的同名端同名端相联。相联。 差动变压器式传感器的结构示意图 （b） 变隙式差动变压器iUBbaiIA1W

3、1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)差动变压器式传感器的结构示意图 （a） 变隙式差动变压器; iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b) 当没有位移时，衔铁当没有位移时，衔铁C处于初始处于初始平平衡衡位置，位置， 由于次级绕组由于次级绕组反相串联反相串联， 因此，差动变压器输出电压因此，差动变压器输出电压 Uo= 0 当被测体有位移时，当被测体有位移时，与被测体相连与被测体相连的衔铁的衔铁的位置将发生相应的变化，差动的位置将发生相应的变化，差动变压器有电压输出。变压器有电压输出。 此此电压电压的大小与极性反映被测体的大

4、小与极性反映被测体位位移移的大小和方向。的大小和方向。 （c） 螺线管式差动变压器 (c)1U2U（d） 螺线管式差动变压器 (c)1U2U2U1U(d )（e） 变面积式差动变压器 2U1U01U2U(e)( f ) （f） 变面积式差动变压器 2U1U01U2U(e)( f ) 2. 输出特性输出特性 在忽略在忽略铁损铁损（即（即涡流涡流与与磁滞损耗磁滞损耗）、）、漏感漏感以及变压器以及变压器次级开路次级开路（或负载阻抗（或负载阻抗足够大）的条件下，足够大）的条件下， 变隙式差动变压器等效电路变隙式差动变压器等效电路 差动变压器式传感器的结构示意图 （a） 变隙式差动变压器; iUBbai

5、IA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b) 变隙式差动变压器等效电路 iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb r1a与与L1a , r1b与与L1b , r2a与与L2a , r2b与与L2b，分别，分别为为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直绕阻的直流电阻与电感。流电阻与电感。 根据电磁感应定律和磁路欧姆定律，根据电磁感应定律和磁路欧姆定律，当当r1aL1a，r1b M2，因而，因而 E21 增加，而增加，而 E22 减小。减小。 反之，反之，E22增加，增加，E21减小。减小。 因为因为U2=E21E22

6、，所以当，所以当E21、E22 随着衔铁位移随着衔铁位移x 变化时，变化时，U2也必将随也必将随x而而变化。变化。 差动变压器输出电压的特性曲线 W2bW1W2a0 xuou2bou2au2u2au2bx理论特性曲线实际特性曲线oU 产生零点残余电压的原因：产生零点残余电压的原因： 传感器的两次级绕组的电气参数和传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，几何尺寸不对称， 磁性材料的非线性等。磁性材料的非线性等。 零点残余电压的波形十分复杂，零点残余电压的波形十分复杂， 零点残余电压的组成：零点残余电压的组成： 基波基波 高次谐波高次谐波。 产生基波的原因：产生基波的原因： 传感器两次级绕组

7、的电气参数、几传感器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。势幅值不等、相位不同。 不论怎样调整衔铁位置，两线圈中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。感应电势都不能完全抵消。 高次谐波中起主要作用的是高次谐波中起主要作用的是三次谐波三次谐波， 产生的原因：产生的原因： 磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。和、磁滞）。 零点残余电压一般在零点残余电压一般在几十毫伏几十毫伏以下，以下， 应设法减小零点残余电压，应设法减小零点残余电压， 否则将会影响测量结果。否则将会影响测

8、量结果。 差动变压器等效电路 2. 基本特性基本特性 当次级开路时当次级开路时1111UIrjL U1初级线圈激励电压；初级线圈激励电压； 激励电压激励电压 U1 的角频率；的角频率； I1初级线圈的激励电流；初级线圈的激励电流； r1初级线圈的直流电阻；初级线圈的直流电阻； L1初级线圈的电感。初级线圈的电感。 次级绕组中感应电势为次级绕组中感应电势为 2111EjM I M1、M2为为初级绕组初级绕组与两与两次级绕组次级绕组的互感系数。的互感系数。 2221EjMI 由于次级两绕组反相串联，且次由于次级两绕组反相串联，且次级开路，则级开路，则 1212212211()jMMUUEErj L

9、 121211()jMMUUrj L 将以上复数化为代数式将以上复数化为代数式 121211()jMMUUrj L 输出电压的有效值为输出电压的有效值为 12122211()()MMUUrL 当激磁电压的幅值当激磁电压的幅值 U1 和角频率和角频率、 初级绕组的直流电阻初级绕组的直流电阻 r1 及电感及电感 L1 为定为定值时，值时， U2 仅仅是初级绕组与两个次级绕组仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间之间互感之差互感之差的函数。的函数。 12122211()()MMUUrL 因此，只要求出互感因此，只要求出互感M1和和M2对活对活动衔铁位移动衔铁位移 x 的关系式，再代入上式的关系式，再代入上

10、式即可得到即可得到基本特性表达式。基本特性表达式。 活动衔铁处于中间位置时活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M U2=0 活动衔铁向上移动时活动衔铁向上移动时 M1 =M +M， M2 =MM 1212221112211()2()MMUUrLM UrL 与与 E21同极性。同极性。 活动衔铁向下移动时活动衔铁向下移动时 M1 =MM， M2 =M+M 1222112()M UUrL 与与 E22 同极性。同极性。 . 1222112()M UUrL .1222112()M UUrL 3. 差动变压器式传感器测量电路差动变压器式传感器测量电路 差动变压器的输出是交流电压，若差动变压器的输出是交

11、流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。的大小，不能反映移动的方向。 另外，测量值中还包含零点残余电另外，测量值中还包含零点残余电压。压。 为了达到能辨别移动方向和消除零为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，常常采用差动整流点残余电压的目的，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。电路和相敏检波电路。 (1) 差动整流电路差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压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分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。差值作为输出。（a） 半波电压输出 1UR02U

12、(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d )（b） 半波电流输出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) （c） 全波电压输出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) （d） 全波电流输出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) 图（图（a）

13、、（）、（c）适用于交流阻抗负载，）适用于交流阻抗负载， 图（图（b）、（）、（d）适用于低阻抗负载，）适用于低阻抗负载， R0 用于调整零点残余电压。用于调整零点残余电压。 从图（从图（c）可知，不论两个次级线）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的电流方向总是从的电流方向总是从 2 到到 4，流经电容，流经电容C2的电流方向总是从的电流方向总是从6 到到 8。 （c） 全波电压输出 1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d ) 整流电路的输出电压为

14、整流电路的输出电压为 22468UUU当衔铁在零位时，当衔铁在零位时，U24=U68，所以所以U2=0； 当衔铁在零位以上时，因为当衔铁在零位以上时，因为U24 U68 ， 则则U2 0； 而当衔铁在零位以下时，而当衔铁在零位以下时，U24 U68， 则则U2 0时，时，u2 与与us为同频同相；为同频同相； 当当x0，不论，不论u2与与us是正半是正半周还是负半周，负载电阻周还是负半周，负载电阻RL两端得到的两端得到的电压电压uo始终为正。始终为正。 当当x 0 时，时，u2与与us为同频反相。不为同频反相。不论论u2与与us是正半周还是负半周，负载电是正半周还是负半周，负载电阻阻RL两端得到的输出电压两端得到的输出电压uo表达式总是表达式总是为为 21(2)LoLR uun RR 21(2)LoLR uunRR 21(2)LoLR uun RR R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1us1CRus2RLMu22Ruo(b)us1Cus2RLM(c)DRRDu21OOuoA 相敏检波电路 4. 差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用 直接测量位移，也可以测量与位移直接测量位移，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速