差动传感器教材

3.2差动变压器一、结构和工作原理一次线圈初级线圈二次线圈次级线圈以变间隙式为例uo二、等效电路图Uir1r2Ar2BE2AE2BL2AL2BUO上一页返回下一页初级线圈的激磁电流为:动铁和次级线圈中产生的磁通分别为:Nl为初级线圈的匝数，次级线圈的匝数为N11＝N21＝N2，R21和R22分别通道磁阻。此时初级线圈与两次级线圈的互感为：可见，可以通过移动衔铁，改变M1、M2，从而改变U2.上一页返回下一页R1和L1表示初级线圈的电阻和自感R21和R22表示两次级线圈的电阻L21和L22表示两次级线圈的自感M1和M2表示初级线圈分别与两次级线团间的互感e2l和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。常采用三段式结构形式，即一个初级线圈，两个次级线圈，且反向串接形成“差接”方式。如图为等效电路图：输入电压通过互感，感应到感应电压e21和e22，通过移动衔铁，可以改变其原边、副边之间的互感。上一页返回下一页结论：当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1＝Rm2，即互感M1＝M2，故此时输出电压U2＝0。当动铁上移时，磁阻Rm1＜Rm2，则M1=M+ΔM＞M2=M-ΔM，此时输出电压U2＜0。当动铁下移时，磁阻Rm1＞Rm2，则M1=M-ΔM＜M2=M+ΔM，此时输出电压U2＞0。因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。（1）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值;（2）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的;（3）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点;（4）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。结论：§3.2

电感式传感器

二、互感型变压器式电感传感器图3-11差动变压器式传感器的结构示意图（a）、（b）变隙式差动变压器;（c）、（d）螺线管式差动变压器;（e）、（f）变面积式差动变压器图3-11差动变压器式传感器的结构示意图（a）、（b）变隙式差动变压器;（c）、（d）螺线管式差动变压器;（e）、（f）变面积式差动变压器图3-11差动变压器式传感器的结构示意图（a）、（b）变隙式差动变压器;（c）、（d）螺线管式差动变压器;（e）、（f）变面积式差动变压器3.2.2工作特性灵敏度线性度温度特性零点残余电压消除方法上一页返回下一页（1）灵敏度定义：差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁芯移动单位距离时的输出电压。单位为mV/mm·V上一页返回下一页

KE与f关系曲线上一页返回下一页当f较低时，ωL1<R1，则

即ω↑→U2↓当f较高时，ωL1》R1，则即U2与ω无关，K为常数。当f继续升高时，将会产生“集肤”效应，电荷汇集在表面，铁芯有效阻值增大，铁芯发热，产生很大功耗，从而引起U2快速下降。提高输入激励电压（在热容量范围内），将使传感器灵敏度按线性增加。但U1不能过大，否则会引起差动变压器发热。

除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，适当增加次级线圈匝数，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。上一页返回下一页（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，配用相敏检波式测量电路上一页返回下一页（3）温度特性原因：组成差动变压器的各个结构件的材料性能都受温度的影响，产生测量误差，影响最大的是初级线圈电阻温度系数，在温度变化时，引起初级电流I1发生变化，致使输出电压随温度而变化。措施：一般控制温度在80℃以下工作；在低频激励下，可适当提高工作频率，减小R1的变化对输出电压的影响；有条件时可考虑采用恒流源激励。上一页返回下一页（4）零点残余电压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（包括初始M，L，R），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）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。上一页返回下一页（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，限制着分辨力的提高。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。上一页返回下一页减小零点残余电压措施：（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）选择合适的测量电路，引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理。（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。实现次级线圈的感应电压的相位、幅值变化补偿。上一页返回下一页3.3.1涡流效应:当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。流过电涡流线圈的电流i1增大。3.3电涡流传感器电涡流效应演示

涡流效应：根据电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流或涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这种现象称为涡流效应。涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、金属板的厚度d、线圈与金属导体的距离x、线圈的励磁电流频率f等参数有关。涡流效应

电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉集肤效应

频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。

电涡流传感器工作原理:当高频（100kHz～2MHz）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，被测导体表面就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应。

电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。3.3.1、基本工作原理1、涡流的基本概念（1）定义：当通有高频电流的线圈靠近金属体时，高频磁场则会在金属体内感生出闭合电流，此感生电流称作涡流。§3.3

电涡流式传感器

i1φ1φ2i2被测金属导体一、基本工作原理（2）影响：由于涡流的损耗作用，将使线圈的等效电阻增加，Q值下降，等效电感量减小。1、涡流的基本概念§3.4电涡流式传感器

i1φ1φ2i2被测金属导体一、基本工作原理（1）定义：根据电涡流效应制成的传感器叫做电涡流传感器。2、电涡流传感器的基本内容（2）结构特点：该传感器具有结构简单