互感式傳感器

1、互感式傳感器互感式傳感器根據(jù)互感的基本原理，把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈間互感量的變化。變壓器式傳感器與變壓器的區(qū)別是：變壓器為閉合磁路，而變壓器式傳感器為開磁路；變壓器初、次級(jí)線圈間的互感為常數(shù)，而變壓器式傳感器初、次級(jí)線圈間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變，且變壓器式傳感器有兩個(gè)次級(jí)繞組，兩個(gè)次級(jí)繞組按差動(dòng)方式工作。因此，它又被稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變間隙式、變面積式和螺線管式等，其中應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1-100mm的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 1螺線管式差動(dòng)變壓器螺線管式差動(dòng)變壓器的基本結(jié)構(gòu)如圖2.21所示，它

2、由一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。差動(dòng)變壓器傳感器中兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如圖 2.22所示，其中對(duì)、為初級(jí)線圈激勵(lì)電壓與電流， Ll、Rl為初級(jí)線圈電感與電阻，Ml、M2分別為初級(jí)線圈與次級(jí)線圈1、2間的互感，L21、 L22和R21、R22分別為兩個(gè)次級(jí)線圈的電感和電阻。 圖2.21 螺線管式差動(dòng)變壓器 圖2.22等效電路當(dāng)初級(jí)繞組N1加以激勵(lì)電壓時(shí)，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E21和E22。根據(jù)變壓器原理，傳感器開路輸出電壓為兩次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)之差，即 （2.35）如果

3、工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有，因而，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻變化使互感，即，。在一定范圍內(nèi)，差值，于是，在負(fù)載開路情況下，輸出電壓為： （2.36）由圖2.22可知 （2.37）所以 （2.38）由于在一定的范圍內(nèi)，互感的變化M與位移x成正比，所以的變化與位移的變化成正比。且銜鐵上移時(shí)，輸出對(duì)與同相位。同理，銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，使輸出，輸出 與相位相反。實(shí)際上，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器的輸出電壓并不等于零，通常把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。它的存在使傳感器

4、的輸出特性曲線不過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致，特性曲線如圖2.16所示。零點(diǎn)殘余電壓u20產(chǎn)生的原因主要是傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成。基波的產(chǎn)生主要是因傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值不等、相位不同。因此，無論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都不能完全抵消。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小，否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。圖2.23 零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)使得傳感器在零點(diǎn)附近的輸出特性不靈敏，為測(cè)量帶來誤

5、差。此值的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，可采用以下方法。(1) 采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過處理，以消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。(2) 選用合適的測(cè)量電路例如，采用相敏整流電路，既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改善輸出特性，減小了零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。(3) 采用補(bǔ)償線路在差動(dòng)變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻、電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。2變間隙式差動(dòng)變壓器傳感器 如圖2.24所示為變間隙式差動(dòng)變壓器傳感器原理圖，它具有靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量范圍小，一般用于測(cè)量幾微米到幾百微米的位移。圖2.24 變間隙式差動(dòng)變壓器傳感器原理圖由差動(dòng)變壓器的特性可知，差動(dòng)變壓器的輸出與初級(jí)線圈對(duì)兩個(gè)次級(jí)線圈的互感之差有關(guān)。結(jié)構(gòu)形式不同，互感的計(jì)算方法就有所不同。II型差動(dòng)變壓器的輸出特性為 （2.39）式中，為初始?xì)庀?；N1為初級(jí)線圈匝數(shù)；N2為次級(jí)線圈匝數(shù)；為銜鐵上移量。式(2.39)表明，輸出電壓Uo與銜鐵位移成比例。式中負(fù)號(hào)表明向上為正時(shí)，輸出電壓與電源電壓反相；向下為負(fù)時(shí)，兩者同相。II型差動(dòng)變壓器的靈敏度表達(dá)式為 （2.40）可見，傳感器的靈敏度隨電源電壓U的增大而提高，隨變壓比和初始?xì)庀兜脑龃蠖档汀Ｔ黾哟渭?jí)