差动变压器试验模块-山东大学课程中心

1、自动检测技术多层次、模块化实验体系研究与实现振动测量系统设计实验指导书山东大学教学实验室软件建设项目差动变压器实验模块基本教学实验实验目的1 掌握差动变压器的基本结构和工作原理。2 通过实验验证差动变压器的基本特性。3 掌握差动变压器零点残压的产生原因及补偿方法， 通过实验进行差动变压器零点残压的补偿。4 掌握差动变压器的静态标定方法，通过实验进行差动变压器的静态标定。实验原理差动变压器式电感传感器简称差动变压器， 它将位移量转换为线圈间互感的变化。 它实质上是种变压器， 主要由原边绕组、副边绕组和铁芯组成。 它往往做成差动结构形式，副边两个绕组进行“差接” 。在其原边绕组施加激励电压后，由于

2、互感系数变化，副边差接绕组的感应电势将相应地发生变比。由于它结构简单测量精度较高、测量范围宽，作为位移传感器得到广泛应用。其中螺管式差动变压器是差动变压器的主要结构形式，如图 1 所示图 1 螺管式差动变压器结构示意图差动变压器式电感传感器主要由线圈、铁芯组成。线圈由初级线圈(又称 次线圈、原边绕组) 和次级线圈 (又称二次线圈、副边绕组 )组成。线圈中插入圆柱形铁心b。图中所示为三段式差动变压器， 即线圈骨架分成三段，中间为初级线圈，上下两侧为次级线圈。线圈绕制方式多为初级在内，次级在外。差动变压器的电气连接方法如图2 所示，次级线圈S1 和 S2 反极性串联。图 2 差动变压器的电气连接方

3、法差动变压器的工作原理可以用变压器原理解释，所不同的是一般变压器的磁路是闭合的、而差动变压器的磁路是不闭合的。一般变压器的初次级间的互感系数是常数，差动变压器的初次级之间的互感是随衔铁移动而作相应的变化。差动变压器的工作正是建立在互感变化的基础上。当初级线圈P 由交流恒压源E p激励后，由于电磁感应在次级线圈将产生感应电势Es1 、Es 2。二者的差值EsEs1Es2，其大小与铁芯的轴向位移成比例，其相位则取决于铁心的位移方向，如图 3 所示。当铁芯位于中间位置时，Es1Es2 ， Es0 ；当铁芯向上位移时，Es1Es2 ；当铁芯向下位移时，Es1Es2 ；随铁芯位移量的增大，Es 成比例增

4、大。铁芯向上位移与向下位移比较，Es 相位相差 180o。图 3差动变压器输出特性曲线实际的差动变压器当铁芯位于线圈中心位置时，输出电压值不为零，而是E0，称为零点残余电压。 因此差动变压器的实际输出特性如图要有：3(a)中虚线所示。 产生零点残余电压的原因主1) 由于两个次级线圈的绕制在工艺上不可能完全一致， 因此它们的等效参数 ( 互感、自感和损耗电阻 ) 不可能完全相等。初级线圈中铜损和铁损的存在以及匝间寄生电容的存在使激励电流与所产生的磁通之间有相位差。上述因素就使两个次级线圈的感应电势不仅数值不等，并且相位也不相同。这是零点残余电压中基波分量产生的原因。2） 由于磁滞损耗和铁磁饱和的

5、影响，使得激励电流与磁通波形不致，导致产生非正弦波磁通，从而在次级线圈感应出非正弦波电势，其主要是含三次谐波。这是零点残余电压中所含高次谐波产生的原因。零点残余电压的存在，使差动变压器在机械零位附近的灵敏度下降，非线性误差增大，降低了它在零位附近的分辨率。消除或减小零点残余电压般可采用以下方法：1) 设计和加工应尽量保证线圈和磁路对称，结构上可附加磁路调节机构。其次，应选用高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁感应的导磁材料，并将导磁体加以热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。在选取磁路工作点时，应使其不工作在磁化曲线饱和区。2) 选用合适的测量电路，如相敏检波和差动整流电路，其直流输出不

6、仅可以鉴别铁心位移方向，而且可以减小或消除零点残余电压。3) 采用补偿电路，如图 4 所示，为常采用的零点残余电压补偿电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路比较多，但归纳起来，其思路只有四种：附加串联电阻以消除基波同相成分；附加并联电阻以消除基波正交成分；附加并联电容改变相移，以补偿高次谐波分量；附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐波分量。串联电阻的阻值很小，为 0.55，并联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数值在数百PF 范围。 实际数值通常由实验来确定。图 4 差动变压器的零位补偿实验所需部件差动变压器、 音频振荡器、 测微头、 电桥、差动放大器、 移相器、 相敏检波器、 低通

7、滤波器、直流电压表、示波器实验步骤测量差动变压器的传感特性：1将音频振荡器功率输出端LV 作为激励电源接差动变压器初级线圈，差动变压器次级空载。2将示波器第一通道调至500mv / 格，第二通道调至 10mv / 格。第一通道为悬浮工作状态，接至初级线圈；第二通道接至次级线圈。3将音频振荡器输出频率调至4kHz ，幅值调至 V pp 2V 。4用手提差动变压器衔铁，观察示波器第二通道是否能过零反转，如不能过零反转， 则说明同名端接错了，需改变次级线圈的串接端子。5旋转测微头，带动差动变压器衔铁运动，从示波器中读出次级线圈输出电压的Vpp 值，填入下表。被测位移 mm输出电压 V测量过程中注意激

8、励电压与传感输出电压的相位关系。6 仔细调节测微头，使传感输出波形幅值最低，但无法调至零，这就是零点残压。从示波器可以看出，它与激励电压之间的相位差约/2，这是基频分量。7 根据记录结果，以传感器输出电压Vpp 为纵轴、被测位移为横轴，画出传感器特性图，并指出线性测量范围。进行差动变压器零点残压补偿：8 按图 5 接线。将示波器第一通道调至500mV / 格，第二通道调至1V/ 格。9 将音频振荡器输出频率调至4kHz ，幅值调至V pp 2V ，差动放大器增益调至100 。10 仔细调节测微头，使差动放大器输出幅值最低，此乃放大后的零点残压。调整补偿电桥网络， 使差动放大器输出幅值进一步降低

9、，这就是零点残压补偿。 若补偿效果不好，可在电桥交流插口另并联一个数微法的电容。11 调整示波器第二通道灵敏度，将补偿后的零点残压波形与激励波形比较。注意：由于补偿电路要求差动变压器输出端必须悬浮， 所以需要利用差动放大器将差动变压器次级双端输出转换为单端输出，以便利用示波器进行观察。图 5 差动变压器零点残压补偿进行差动变压器静态标定：12 按图 6 接线，差动放大器增益适度，音频振荡器W 端输出 5kHz ， Vpp 值为 2V。移相器12音频振荡器相敏衔铁低通电压表W DLV差放W A图 6 差动变压器静态标定13 调节电桥 W D 、W A 电位器，调节侧位投带动衔铁改变其在线圈中的位

10、置，使系统输出为零。14 旋转测微头使衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否对称，如果不对称需反复调节衔铁位置和电桥、移相器，做到正负输出对称。15 旋转侧位头，带动衔铁向上 5mm ，向下 5mm 移位，每旋转 1 周( 0.5mm ) 记录一次电压并填入表格。被 测 位移 mm输 出 电压 V注意事项： 系统的标定需要调节电桥、移相器、衔铁三者位置，需发福调节才能做到系统输出正负为零并正负对称。设计性实验基于差动变压器的振动测量系统设计实验要求设计以差动变压器作为传感器的振动测量系统，使用该系统测量被测对象的固有振动频率，对该系统被测振幅与输出电信号之间的关系

11、进行标定，利用标定后的测量系统进行振幅测量并计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。可用资源原实验仪上的所有资源，如差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表等；振幅及频率测量装置；示波器。建议实验步骤1 移开圆盘上测微头使圆盘处于自由可振动状态。2 低频振荡器接入“激振 I”，使圆盘振动。注意保持适当的振幅。3 以差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表为基本部件，设计基于差动变压器的振动测量系统。画出电路图，并按图组成系统。经指导教师认可后，方可通电。4 调整振动测量系统的零点。5维持低频振荡器输出幅值不变，改变低频振荡器的频率，从5HZ 逐渐增加到30HZ，记录测量系统输出的电信号幅值，利用振幅及频率测量装置测量振幅、振动频率。 最高电信号幅值所对应的振动频率就是被测对象的固有频率。激振频率 Hz输出电压 V振幅 mm振动频率 Hz6 在低于固有频率的范围内任选一个激振频率，并维持不变。 先是从低到高、 而后从高到低调整激振幅值， 记录输出电信号、并用振幅及频率测量装置测量振幅。如此反复测量几个循环。激振幅值 V输出电压 V振幅 mm振动频率