电感式传感器B-差动变压器式传感器

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1、第3章电感式传感器3.1变磁阻式传感器3.2差动变压器式传感器3.7电涡流式传感器13.2差动变压器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称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，图3-11为差动变压器的结构示意图。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。23.2.1变隙式差动变压器

2、1.工作原理假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图3-11（a）所示，在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。3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4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δa0=δb0=δ0，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e2

3、a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。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δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，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。..5２.输出特性图3-12变隙式差动变压器等效电路6如果被测体带动衔铁移动图3-13变隙式差动变压器输出特性１理想特性；２实际特性7综合以上分析，可得到如下结论：①首先，供电电源Ui要稳定，以便使传感器

4、具有稳定的输出特性；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。②增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。然而，W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关，不论从灵敏度考虑，还是从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的δ0愈小愈好。为兼顾测量范围的需要，一般选择传感器的δ0为0.5mm。8③以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容等条件下得到的，如果考虑这些影响，将会使传感器性能变差（灵敏度降低，非线性加大等）。但是，在一般工程应用中是可以忽略的

5、。④以上结果是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，而实际上很难做到这一点，因此传感器实际输出特性如图3-13中曲线2所示，存在零点残余电压ΔUo。⑤进行上述推导的另一个条件是变压器副边开路，对由电子线路构成的测量电路来讲，这个要求很容易满足，但如果直接配接低输入阻抗电路，就必须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。9１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组3.2.2螺线管式差动变压器1.工作原理10螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式不同可

6、分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图3-15所示。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。图3-15线圈排列方式（a）一节式;（b）二节式;（c）三节式;（d）四节式;（e）五节式11图3-17差动变压器输出电压的特性曲线12在零点总是有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压。零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要表示之一。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M1>M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，

7、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。图3-17给出了差动变压器输出电压Uo与活动衔铁位移Δx的关系曲线。图中实线为理论特性曲线，虚线曲线为实际特性曲线。由图3-17可以看出，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们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ΔUo，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。...........零点残余电压：13零点残余电压产生原因：①基波分量。由于差动变压器

8、两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。②高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(