实验五差动变压器的性能实验

1、实验五 差动变压器的性能实验一、实验目的 了解差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理差动变压器的工作原理是电磁互感原理。差动变压器的结构如图51所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图52所示。图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1

2、分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。 图51差动变压器的结构示意图 图52差动变压器的等效电路图在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，

3、所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。由图52可以看出一次绕组的电流为： 二次绕组的感应动势为：  由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为： 其有效值为：差动变压器的输出特性曲线如图53所示。图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡

4、量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法：图53  差动变压器输出特性1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。 3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图54是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。(a) (b) (c) 图54  减小零点残余电动势电路简单的原理说明：差动变压器

5、由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动量。三、实验设备与器件单元主机箱中的±15V直流稳压电源、音频振荡器；差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。四、实验步骤1、将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1为初

6、级线圈；L2、L3为次级线圈；号为同名端，如下图55。 图55 差 动变压器性能实验安装、接线图2、按图55接线，差动变压器的原边的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为45KHz，调节输出幅度峰峰值为Vp-p2V（用示波器监测）。3、调节变压器铁芯大约处在变压器的中间位置先调节测微头的微分筒，让测微头的起始刻度大约处在10mm 附近的合适位置，保证实验时测微头向左右两个方向都有充裕的位移距离；并用数字示波器的第二通道（探头设在1X位置，并在通道菜单里把倍乘数也设为1X）监测电路的3、4端点输出信号波形的电压；然后松开测微头的安装紧

7、固螺钉，移动测微头的安装套（也就是移动整个测微头，而不是只调节微分筒，这样做是为了保证测微头的起始刻度大约处在10mm 的合适位置），通过观测示波器第二通道显示的输出波形，当输出信号波形的Vp-p比较小时，则变压器铁芯接近变压器的中间位置，然后拧紧紧固螺钉。4、微调变压器铁芯至变压器的中间位置并测量零点残余电压先把数字示波器的采样模式设置为16次的平均值采样。紧接上一步骤，仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道输出波形的Vp-p达到最小值，则变压器铁芯处在了变压器的中间位置，记录下此时输出波形的最小Vp-p值（不大于3mV），此最小Vp-p就是差动变压器的零点残余电压；并把此位置定为位移的相对

8、零点，记住此位置的刻度值（如果此时微分筒和轴套的刻度线没对齐，可以微调对齐以得到比较准确的起始刻度，方便下面的位移读数）。5、差动变压器的位移实验这时变压器铁芯可以左右位移（0点左边为负方向，右边为正方向），选择一个方向，从Vp-p最小处开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm（取15个点，共3mm）从示波器上读出一个输出电压Vp-p值，填入下表5；然后将测位头退回到Vp-p最小处开始反方向做相同的位移实验（也取15个点，共3mm；两个方向加上零点总共要读取31个点的数据）。在实验过程中请注意：（1）从Vp-p最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，会由于测微头

9、存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好回到零点重新做实验。（2）当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化是正常的（实际上很难回到原来的起始位置），做实验时位移取相对变化量0.2mm为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。（3）在Vp-p最小处可以假设此处的刻度为0,不用记录实际的刻度值，这样比较方便灵敏度和非线性误差的计算。6、根据表5画出实验的XVop-p曲线，并与图53差动变压器的输出特性曲线做比较，分析评价实验结果。7、以位移零点为起点，计算位移距离分别为1mm、1mm及3mm、3mm

10、时的灵敏度和非线性误差（计算灵敏度和非线性误差时可以忽略零点残余电压）。X(mm)-3-2.8-2.6-2.4-2.2-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20V(mv)107098488880871663655648040031824616691.21861040X(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.83V(mv)84.810216426033844053262872684894410301120122013108、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。表5 （请自制合适的表格用于填写实验数据）五.思考题查

11、阅传感器相关理论知识，说明什么是差动变压器的零点残余电动势？如何产生？如何减少零点残余电动势和它的影响？结合你在本次实验中测得零点残余电动势的多少，以及灵敏度和非线性误差的计算结果，评价实验所用传感器的性能。在没有输入信号时，通过调节平衡旋扭，使输出最小，这一最小电压就是它的零点残余电压。是由于器件的各种参数不对称造成的。产生原因：产生零点残余电压的原因大致有如下两点：（1）由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。（2）由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而形成

12、零点残余电压的高次谐波分量。残余电动势大概为2mv左右由上图可知灵敏度和非线性误差分别为传感器性能：六、误差分析分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法。1.调零没有调准，示波器比较落后。2.传感器存在非线性误差3.温度影响了结果4.测微头有误差实验六 激励频率对差动变压器特性的影响一、实验目的了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。二、基本原理差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：=表示,式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，、为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP22LP2，则输出电

13、压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2LP2RP2时输出Uo与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。三、需用器件与单元主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。四、实验步骤1、差动变压器及测微头的安装、接线同实验五图55，检查接线无误后，合上主机箱电源开关。2、调节主机箱音频振荡器LV输出频率为2KHZ，Vp-p2V(用示波器监测)。调节差动变压器的铁芯大约处在线圈的中心位置，即此时电路的3、4端点输出信号的Vp-p要比较小(用示波器监测)。（方法与实验五步骤3相同，注意调节测微头的位置大约处在刻度的中间位置，不要太偏向一端。）3、向任一方向调节测微头

14、让差动变压器的铁芯做位移，位移量2.5mm（即是测微头旋动5圈），使差动变压器有某个较大的Vp-p输出，记录下此Vp-p输出，并填入表6的第一格。4、在保持位移量2.5mm不变的情况下，改变激励信号（音频振荡器）的频率从3KHz10KHz（激励电压Vp-p2保持不变，可用主机箱的频率表监测频率的变化）时，记录差动变压器相应输出的Vp-p值，填入表6。表6F(Hz)2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHz10KHzVpp(mv)226340452554218965238325、根据表6的数据作出差动变压器的幅频(Vp-p)特性曲线，标出大致的谐振点。由图知

15、K=5kHz时是位移量2.5mm时差动变压器的谐振点6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。五、思考题 你认为检测频率特性对差动变压器的应用有什么意义？在相同位移量的条件下，改变激励信号的频率，差动变压器输出的电动势不同。为了提高差动变压器的灵敏度，需将激励信号的的频率设置在差动变压器的谐振点处实验七 位移实验中被测体材质对电涡流传感器特性影响一、实验目的1、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。2、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。二、基本原理通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋

16、涡状，故称为涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离等参数有关。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态(线圈与金属体表面不接触)，当线圈与金属体表面的距离以外的所有参数一定时可以进行位移测量。 涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。三、需用器件与单元主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体(铁圆片、铝圆片和铜圆片)。四、实验步骤1、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。测微头的读数与使用可参阅实验四；根据图7安

17、装电涡流传感器和测微头，并在测微头上套上铁圆片被测体，按下图接线。图7 电涡流传感器安装、按线示意图2、 移动测微头使铁被测体比较靠近传感器（但不接触），拧紧测微头紧固螺钉，然后调节测微头使铁被测体与传感器端部轻轻接触（但不能紧压），测微头所处位置当做零坐标起点（不记录具体刻度）。将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，从电压表记录输出电压。 3、接着旋动测微头，让铁被测体逐渐离开电涡流传感器，每隔0.1mm读一个输出电压值，共测量5mm有效的位移距离，将数据列入表71。（铁被测体的前面一小段位移输出读数都是0，忽略不计，从第一个非0输出开始读数。）表71 被测体

18、为铁圆片时位移X与输出电压数据（请自制合适的表格用于填写实验数据）由图知，中心点大概在3.9处4、将被测体换成铜圆片，并把测微头的刻度退回到较前的位置，重复铁圆片测量步骤（从0位移的第一个输出电压开始读数），进行铜被测体的位移特性测试，将数据列入表72。表72 被测体为铜圆片时的位移X与输出电压数据（请自制合适的表格用于填写实验数据）故可知中心点大概在1.6,约为0.0115、将被测体换成铝圆片，并把测微头的刻度退回到较前的位置，重复铁圆片出来步骤（从0位移的第一个输出电压开始读数），进行铝被测体的位移特性测试，将数据列入表73。表73 被测体为铝圆片时的位移X与输出电压数据（请自制合适的表格用于填写实验数据）由图知中心点大概为1.36、根据以上三个表中的数据，画出被测体分别为铁、铜、铝的XV曲线，根据不同曲线找出各自最理想的线性区域（大约1mm左右）及位移测量时的最佳工作点(即曲线线性段的中点)，并计算在线性段内测量范围为1mm和以线性段为中心左右延伸至3mm时这两个测量线段的位移灵敏度和线性度。（注：如果线性段在测量数据的开头或结尾，则3mm的长度由线性段向一个方向延伸截取。从经验上总结得出：铁被测体的线性区在数据的中间段，铜和铝被测体的线性区都是在数据的前段。）7、根据实验结果，总结不同被测