差動變壓器及應用

1、差動變壓器及其應用一、差動變壓器簡介（摘自日刊傳感器技術1986年5月專號）差動變壓器是一種將機械位移變換成電信號的電磁感應式位移傳感器。它主要是靠圓筒線圈內的可動鐵芯的位移，在圓筒線圈的輸入線圈和輸出線圈之間建立起相互感應關系，可動鐵芯的位移可以通過測定與其成正比的輸出線圈的感應電壓來獲得。1、差動變壓器的特點（1）線性范圍的種類很多，容易根據(jù)用途進行選擇，通常在±2mm±200mm級之間有10個左右類型的品種。（2）結構簡單，所以耐振性和耐沖擊性都很強。（3）不磨損，不變質，耐久性優(yōu)良。（4）輸出電壓對鐵心的位移有精確的比例，即直線性好。一般這種傳感器中全行程偏差小于1

2、%，在高檔品可以保證在±0.2%±0.3%。（5）因為靈敏度高，可以獲得大的輸出電壓，不要求外圍電路高級化也能檢測到微小的位移。（6）因為輸出變化平滑，故能進行高分辨率的檢測。（7）零點穩(wěn)定，以其作為測定的基準點對維持精度有好處。（8）能夠得到從500Hz到100Hz的高的響應速度。2、差動變壓器原理差動變壓器的構造原理如圖1-1所示，由圓筒形線圈和與其完全分離的鐵芯構成。典型的差動變壓器的圓筒線圈有三只，各是總長度的三分之一，中間是一次線圈，兩側是二次線圈。加入圓筒線圈中的鐵芯用來在線圈中鏈接磁力線而構成磁路。當在中間的一次線圈加上交流電壓時（即激磁），由于與兩端線圈的互

3、感就產生了電動勢（這一點與普通變壓器相同）。因為二次線圈彼此極性相反地串聯(lián)，兩個二次線圈中的感應電動勢相位相反，將其相加的結果，在輸出端產生二者的電位差。相對于線圈長度方向的中心處，兩個二次線圈的感應電壓大小相等方向相反，因而輸出為零。這個位置被稱為差動變壓器的機械零點（或簡稱為零點）。當鐵芯從零點相某一方向改變位置時，位移方向的二次線圈的電壓就增大，另一個二次線圈的電壓則減小。產品設計保證產生的電位差與鐵芯的位移成正比。當鐵芯從零點向與剛才相反的方向移動時，就會同樣產生成正比的電壓，但是相位與剛才的情況相差180°。相對于鐵芯位移的二次線圈電壓和輸出電壓差的關系示于圖1-2。電壓差

4、和鐵芯位移成正比的范圍稱為直線范圍，其比例性稱為線性，是差動變壓器最重要的一項指標。一次PX二次S2S1XXXP零點鐵芯圖1-1 差動變壓器構造原理es1es2x線性范圍es=es1-es2圖1-2 差動變壓器鐵芯位移輸出關系3、種類差動變壓器分類的依據(jù)有如下幾種：（1）根據(jù)輸入到一次線圈的電壓（激磁類型）：商用電源型，適用于5060Hz，6.3V電源激磁的實用測量儀器；振蕩電源型，是由15KHz的振蕩電路激磁的方式，適用于要求一定精度和響應特性的應用測量儀表；直流電源型，在差動變壓器的線圈部分安裝半導體器件構成線圈內部的激磁振蕩電路和二次輸出檢波電路，是輸入和輸出皆為直流的差動變壓器，叫做D

5、CDT。（2）根據(jù)鐵芯的位移1范圍（位移類型）：微小位移型，從結構上考慮了怎樣用于計測0.5mm以下的微小位移； 一般位移型，大約以100mm以下的位移為計測對象； 長行程型，以120400mm級的長行程的測量為對象。（3）根據(jù)使用環(huán)境（環(huán)境類型）：標準型，在溫度為-30+90，濕度為80%左右的通常環(huán)境中使用；耐環(huán)境型，用于高溫、高濕、防水和耐放射性等環(huán)境的傳感器。4、外觀和結構標準的差動變壓器由圓筒形的線圈和棒狀的鐵芯構成，在實際使用中也有裝上導座和彈簧的結構，見圖1-3（略）。特性和規(guī)格將差動變壓器作為位置傳感器時，選擇的規(guī)格項目如下：激磁電源（頻率、電壓、波形等）；結構（是否需要導座和

6、彈簧）；線性范圍（通常為±1%，高檔品為 ±0.5%±0.2%）；靈敏度（對應鐵芯位移1mm的輸出）；阻抗（輸入端、輸出端阻抗）；連接條件（電纜、插座、輸入電路等）；裝配方法（與被測對象的連接方法等）；環(huán)境條件（溫度、濕度、灰塵、防水性、防銹條件等）。5、應用因為差動變壓器作為位移傳感器的優(yōu)良特性，幾乎在一切工業(yè)領域得到了應用，下面介紹幾個具體例子。（1）鋼鐵工業(yè)：高爐的爐頂水平檢測、連續(xù)鑄造軋輥間隙、砂型振動、凸度等檢測，鐵水包、中間包等滑動水口的位置檢測等。（2）重型電機工業(yè)：蒸汽透平的主閥、旁通閥的閥升程檢測，升降機的姿勢監(jiān)控等。（3）工程機械工業(yè)：數(shù)控機床

7、模擬檢測用的測量頭。（4）陶瓷工業(yè)：耐火材料的熱膨脹檢測，模板玻璃的形狀檢測。（5）船舶、車輛工業(yè)：柴油機的燃料分類位置檢測，汽車發(fā)動機的燃料噴射閥的動態(tài)特性檢測，輪胎、車輪的偏心量檢測。（6）測重機工業(yè)：自動計量袋裝重量的裝置，瀝青送料裝置計重機。（7）計測儀器、試驗機工業(yè)：用于金屬材料和塑料等牽引試驗、蠕變試驗，流量計、液面計的信號變換部分，土木建筑構件的機械試驗。（8）一般工業(yè)：組裝軸承的隔片選片機，沖壓時的動作偏差檢測，工件的尺寸和形狀偏差檢測等。二、差動變壓器（摘自非電量電測技術）此處僅列出提綱，深入研究請查看原文。1、工作原理與結構差動變壓器的結構分為變隙式和螺線管式兩種，變隙式差

8、動變壓器由于行程很小，結構也較復雜，因此目前已很少采用，而大多數(shù)采用螺管式。螺管式差動變壓器的基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為激勵用，相當于變壓器的原邊，次級線圈由兩個結構尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串聯(lián)而成，形成變壓器的副邊。根據(jù)初、次級排列形式不同有二節(jié)式、三節(jié)式和多節(jié)式。三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式都是為了改善傳感器線性而作的努力。差動變壓器的工作原理可以用變壓器原理來解釋，不同之處是：一般變壓器是閉合磁路，而差動變壓器是開磁路；一般變壓器原、副邊的互感是常數(shù)，而差動變壓器原、副邊之間的互感隨銜鐵移動而變化。差動變壓

9、器工作正是建立在互感變化的基礎上。2、線性度與靈敏度（1）線性度。差動變壓器的線性范圍受到螺管線圈軸向磁場不均勻的影響?？亢侠淼脑O計保證所要求的線性范圍和線性度。（2）靈敏度。差動變壓器的靈敏度是指銜鐵移動單位位移時所產生的輸出電勢的變化，可用mV/mm來表示；在實用中考慮到激勵電壓的影響，還常用mV/mm/V來表示，即銜鐵單位位移所產生的電勢變化除以激勵電壓值。差動變壓器靈敏度的高低與初級電壓、次級繞組匝數(shù)和激勵電壓的頻率有關：與次級匝數(shù)的關系次級匝數(shù)增加，靈敏度增加，二者呈線性關系。但是次級匝數(shù)不能無限制增加，因為差動變壓器零點殘余電壓也隨之變大。初級電壓靈敏度與初級電壓成正比關系，但初級

10、電壓也不能過大，過大時會使差動變壓器線圈發(fā)熱而引起輸出信號漂移，一般采用38V。激勵電源頻率在頻率很低時，靈敏度隨頻率增加而增加；當頻率升高，線圈的感抗大大高于其電阻時，靈敏度與頻率無關；當頻率超過某一數(shù)值時（該值因銜鐵材料而不同），由于高頻時導線的集膚效應使導線有效電阻增加，銜鐵的渦流損耗及磁滯損耗增加，使輸出下降。圖2-1是某種導磁材料輸入頻率與靈敏度的關系，可供選擇激勵頻率時參考。f，kHz0246810200400600800K，mV/mm/V圖2-1 差動變壓器的激磁頻率與靈敏度的關系3、產生誤差的原因誤差是指傳感器的實際特性與理想特性之間的偏差，這里主要分析傳感器本身所固有的系統(tǒng)誤

11、差和隨機誤差，不涉及測量方法上的誤差。（1）激勵電源的幅值和頻率影響激勵電源電壓幅值的波動會使線圈激勵磁場的強度發(fā)生變化而直接影響輸出電勢。頻率的波動影響不大。（2）溫度變化的影響環(huán)境溫度的變化會引起線圈及導磁體磁導率的變化，使線圈磁場發(fā)生變化而產生溫度漂移。當線圈品質因數(shù)較低時，這種影響更為嚴重。采用恒流源激勵比恒壓源有利，適當提高線圈的品質因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響。（3）零點殘余電壓當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想的情況輸出電壓應為零。但實際上在使用電橋式電路時，在零點時總有一個微小的電壓值（從零點幾毫伏到數(shù)十毫伏）存在，這個電壓稱為零點殘余電壓。圖2-2是擴大了的表示零

12、點殘余電壓的輸出特性。虛線為理想特性，實線表示實際特性。零點殘余電壓的存在會造成零點附近的不靈敏區(qū)。零點殘余電壓的波形十分復雜，并且不規(guī)則。經分析它包含了基波同相成分、基波正交成分，還有二次和三次諧波以及幅值較小的電磁干擾波等。零點殘余電壓產生的原因如下：e2X+Xe2X+X012 圖2-2 差動變壓器的零點殘余電壓 圖2-3 采用相敏檢波后的輸出特性基波分量由于差動變壓器兩只次級繞組的繞制在工藝上不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感、自感和損耗電阻等）不可能完全相等，從而使兩個感應電勢數(shù)值不等。初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質的不均勻，線圈匝間電容的存在，亦使激磁電流與所產生的

13、磁通不同相。上述因素使得兩個次級線圈中的感應電勢不僅數(shù)值不等，相位也存在誤差。相位的不同所產生的零點殘余電壓無法通過調節(jié)銜鐵位移來消除。高次諧波高次諧波分量主要由導磁材料的磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致，導致產生非正弦波（主要是三次諧波磁通），從而在次級繞組感應出非正弦波的電勢。消除零點殘余電壓的一般方法：從設計和工藝上盡量保證線圈和磁路對稱，結構上可采用磁路調節(jié)機構；在選取磁路工作點時，應保證磁場不工作在磁化曲線飽和區(qū)域。選用合適的測量線路。采用相敏檢波電路不僅可以鑒別銜鐵移動方向，而且可以把銜鐵在中間位置時的高次諧波零點殘余電壓消除很多。如圖

14、2-3所示，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變成2，從而消除了零點殘余電壓。采用補償線路。在差動變壓器應用中，為了消除零點殘余電壓而采用的電路形式很多，歸納起來大致有如下幾種：加串連電阻以消除基波同相成分；一般串連電阻的阻值很小，為0.55，用康銅絲繞制。加并聯(lián)電阻以消除基波正交成分，但它對基波同相成分有影響；并聯(lián)電阻的阻值為數(shù)十到數(shù)百千歐。并聯(lián)電容，改變相移，補償高次諧波分量；并聯(lián)電容的數(shù)值在100500pf范圍內。加反饋繞組和反饋電容補償基波及高次諧波分量。實際上這些數(shù)值通過實驗來確定；在搞通差動變壓器的工作原理和零點殘余電壓產生的原因基礎上，上述方法可以變通和組合，也有可能設計出

15、新的補償電路。圖2-4給出一些補償零點殘余電壓的線路原理圖，供參考。 圖2-4 差動變壓器零點殘余電壓補償電路 4、測量電路（1）差動直流輸出電路差動變壓器的輸出電壓是交流信號，其幅值與銜鐵位移成正比。如果用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映位移的方向。其次，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，即使采用各種補償方法，也只能減小而不能完全消除。所以在工程實踐中常用的是直流輸出電路，既能反映銜鐵位移方向，又能補償零點殘余電壓。直流輸出電路有兩種形式：一種是差動相敏檢波電路，另一種是差動整流電路。差動整流電路如圖2-5所示，這種電路比較簡單，不需要比較電壓繞組，不需要考慮相位調整

16、和零點殘余電壓的影響，對感應和分布電容影響亦可不予考慮。另外，由于整流部分在差動輸出一側，兩條直流輸送線連接方便，可以遠距離輸送，應用比較廣泛。圖2-5 差動整流電路a）全波電流輸出b）半波電流輸出c）全波電壓輸出d）半波電壓輸出差動相敏檢波電路有很多種形式，圖2-6給出兩個例子，一種是全波電路，一種是半波電路。相敏檢波電路要求比較電壓和差動變壓器次級輸出電壓頻率相同，相位相同或相反。為了保證這一點，通常在電路中接入移相電路。另外，要求比較電壓幅值應盡可能大，（因為比較電壓在檢波電路中是起開關作用，若小于信號電壓則不能使開關打通），一般應為信號電壓的35倍。圖中Rw是電橋調零電位器。對于測量小

17、位移的情況，由于輸出信號小，電路中還要接輸入放大器。 圖2-6 差動相敏檢波電路 a）全波檢波b）半波檢波（2）直流差動變壓器線路直流差動變壓器工作原理與上面所述普通差動變壓器完全相同，差別僅在于儀器所用的電源是直流電源（干電池、蓄電池等）。直流差動變壓器原理圖如圖2-7所示，由直流電源、多諧振蕩器、差動整流電路和濾波器等組成。 圖2-7 直流差動變壓器線路原理圖多諧振蕩器提供差動變壓器高頻激勵電源，可以是方波、三角波或正弦波。直流差動變壓器一般用于下列場合：測量點與控制室相距較遠（大于100m）；同時使用多個差動變壓器，要求相互之間以及對其他設備不產生干擾；需要防爆的場合；要求便于攜帶，如在

18、野外工作。5、差動變壓器應用位移測量是差動變壓器最主要的用途。凡是能夠變換成位移的物理量都可以用差動變壓器測量。注意，一般用差動變壓器測量都是接觸式的，在某些場合會影響被測對象的狀態(tài)（例如振動等），即所謂“負載效應”，這時須選用其他形式的傳感器，例如電渦流傳感器等。 它可以作為不少精密量儀的主要部件，如制成高精度電感比較儀，配上相應的測量裝置，能對零件進行多種精密測量：長度、內徑、外徑、不平行度、不平面度、不垂直度、振擺、偏心、和橢圓度等。 作為軸承滾動體自動分選機的主要測量部件，可以分選大、小鋼球，大、小圓柱，大、小圓椎，滾針等。 用來測量各種零件的膨脹、伸長、應變、移動等。應用各類傳感器其

19、位移測量范圍可從±3m到1000mm以上。振動和加速度測量。利用差動變壓器加上懸臂梁彈性支承可以構成測量振動的加速度計。壓力測量。差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒、彈簧管等）相結合，可以組成開環(huán)系統(tǒng)的壓力傳感器和閉環(huán)系統(tǒng)的力平衡式壓力計。三、差動變壓器應用電路實例1、MZK-4R磨床自動控制裝置本裝置用于自動或半自動磨床上。在工件磨削過程中，控制裝置能精確地根據(jù)預調量的大小順次發(fā)出4個信號來控制磨頭的引進、粗磨、精磨、光磨和退出等過程，實現(xiàn)磨削過程的自動測量與控制。（1）磨床的工作過程當工件裝卡完畢后，測量裝置先進入工件進行測量，如果工件尺寸符合預調結果，控制裝置就發(fā)出“起始”信

20、號，磨頭進入工件并向加工方向快速進給，開始粗磨。以內磨為例，隨著砂輪磨削工件尺寸逐漸變小，測量頭輸出信號也隨之變小，達到預設位置時由觸發(fā)器順次發(fā)出三個信號，即“粗磨結束”信號，表示粗磨結束，使砂輪進給速度減小，進入精磨；當精磨結束時發(fā)出“精磨結束”信號，使砂輪停止進給，進行光磨；最后到達預設尺寸時發(fā)出“光磨結束”信號，使砂輪和檢測裝置快速退出。（2）測量頭（傳感器）工作原理測量頭采用差動變壓器式位移傳感器，其結構如圖3.1-1（a）所示，鐵芯向右移動，使繞組A感應電勢減小，繞組B感應電勢增加（反之亦然）。此兩繞組與測量裝置中的電阻R1、R2組成橋路,實現(xiàn)差動輸出，見圖3.1-1（b）。 次級線

21、圈A初級激磁電壓鐵芯次級線圈B初級線圈C次級差動輸出a） 圖3.1-1 差動變壓器原理圖初級線圈由方波發(fā)生器勵磁，方波頻率為3kHz，電壓有效值為3.5V。隨著鐵芯位移量的變化，在電位器Rw的動臂與測量頭次級公共抽頭（接地）之間產生一個相應的電壓變量，此電壓變量經放大和相敏整流后即獲得圖3.1-2的位移電壓特性曲線。TVe0BECDASFGH“0”K“1”“2”“3”高精度低精度 圖3.1-2 差動變壓器輸出特性曲線圖中ST段為全部線性范圍，其中HE段（高精度）為×1檔指示范圍，KC段（低精度）為×10檔指示范圍?！捌鹗肌保?）信號在DA段發(fā)出，“粗磨結束”（1）信號在GB

22、段發(fā)出，“精磨結束”信號（2）在0F段發(fā)出，“光磨結束”信號（3）在0點發(fā)出。（3）電路原理電路方框圖如圖3.1-3。 測量頭 放 大 相敏整流 觸發(fā)器 觸發(fā)器 觸發(fā)器 觸發(fā)器 預 調 預 調 預 調 預 調 3KC方波 -15V 電源 +6V 基準“0”信號“1”信號“2”信號“3”信號指示圖3.1-3 控制裝置電路方框圖電路原理說明裝置由6個部分組成，測量部分詳見電路原理圖（MZK-4R.S01）：輸入橋路，兩臂由測量頭兩個次級繞組組成，另兩臂由R84、R85組成，電位器VR1作電氣零點粗調，VR2作零點微調，R86用于限制零點調節(jié)范圍。為了獲得放大器校正用的基準電壓，由方波發(fā)生器取得一個

23、電壓，經變壓器TR4、R88、R89組成另一個橋路，VR4用來調節(jié)基準電壓。放大器，將輸入電路中獲得的微弱信號進行放大，使之有足夠的幅值完成測量與控制作用。T15、T17、T18構成電壓放大器，增益分別為10、20、20dB左右，T16是緩沖級，T19、T20構成推挽功率放大級，放大器增的電壓增益約6070dB。為了獲得較高的穩(wěn)定性和線性，各級都加了較深的負反饋，其中第一級負反饋是可調的，通過VR3調整放大器的總增益。相敏整流與指示電路，用來完成整流并鑒別輸入信號的相位。由D15、D16組成半波整流電路，封鎖電壓為13V，由方波發(fā)生器提供。整流后的直流緩變信號一方面用作觸發(fā)器的輸入，另一路用作

24、面板指示。表是滿量程150A的微安表，用并聯(lián)電阻R90、R91獲得50和500的滿量程指示。D33用作電壓箝位，以保護表頭。方波發(fā)生器，用來產生測量頭所需的勵磁電壓和相敏整流所需的封鎖電壓。由T21、T22組成高矩形系數(shù)多諧振蕩器電路，起振容易，頻率和幅度穩(wěn)定度高，其振蕩頻率為33.5KHz。觸發(fā)器，根據(jù)相敏整流的輸出電壓和預調電壓的比較結果，順次產生四個不同的控制信號輸出。電路采用射極由穩(wěn)壓管耦合的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，溫度漂移小，回差調節(jié)方便。其中VR5、VR6、VR7、VR8分別作為面板上“0”、“1”、“2”、“3”四個信號的調節(jié)電位器。電源：24V，整流濾波后供功率繼電器使用； 15V，由串

25、聯(lián)穩(wěn)壓電路產生，用作各三極管的集電極電壓及觸發(fā)器預調用； 6V，由并聯(lián)穩(wěn)壓電路產生，供給觸發(fā)器的偏壓和預調用。（4）主要技術指標儀表分度及誤差： 高精度（G）檔1/分度；滿量程-10+50；誤差1.5 低精度（D）檔20/分度；滿量程-100+500；誤差30控制信號可調范圍：“0”信號，350500；“1”信號，30100；“2”信號，030；“3”信號，-10+10電氣零點可調范圍：不小于100，另有±5微調重復誤差：不大于1（電網(wǎng)）電壓調整誤差：不大于3不穩(wěn)定性：時間漂移不大于10/4小時；溫度漂移不大于10/102、ZD41B短圓柱磙子分選機本機由高精度測微頭（差動變壓器），

26、配合晶體管電路組成測量和邏輯控制裝置，完成自動分選短圓柱軸承磙子的任務。（1）主要技術指標測量范圍：長度不大于15mm 直徑515mm精度： 1，2，3若重新整定倍率和徑向分組電位器，可獲得0.55范圍內的任意分組分組數(shù)：10組。過小，1、2、3、4、5、6、7、8，過大速度：28個/分鐘到65個/分鐘，任意調節(jié)（2）工作原理磙柱徑向尺寸的測量和分類是自動化的。待測的磙柱預先由人工放入盤形料斗，通過振動磙柱沿著管道到達送料位置，然后由往復運動的推桿推入測量部位進行徑向測量。當不同尺寸的磙子進入測量部位進行測量時，差動變壓器導桿鐵芯在線圈中位移，從而差動變壓器輸出一個與磙柱尺寸變化成正比的交流電

27、信號，這一微小電信號經放大、整流后再由直流放大器放大，使相應的觸發(fā)器動作帶動執(zhí)行繼電器和電磁鐵，從而開啟分類組儲料活門，使測量完的不同直徑尺寸的磙柱落到不同的分類儲料箱中，完成自動測量和分類任務。這里主要介紹徑向尺寸測量部分，即差動變壓器及其二次電路。磙子測量部分由差動變壓器、4KHz振蕩器、衰減器、低頻交流放大器、相敏整流、直流放大器、穩(wěn)壓電源等部分組成，詳見電路原理圖（DGS-200A.SO1）。測微頭（差動變壓器）：利用差動變壓器將磙柱直徑尺寸轉變?yōu)殡娏康淖兓?，其變換關系為：E2是次級線圈電壓；A是比例常數(shù)；是磙柱直徑。初級線圈采用頻率4KHz，幅值23V的矩形波激磁。因而在次級線圈中感應出u2、u3電壓。將次級兩線圈的異名端相連作為公共點接地，另外兩端作為差動輸出，并與電阻R1、R2及電位器VR構成電橋平衡回路。當鐵芯位于兩個次級線圈中心位置時，由于兩個線圈磁阻相等，電橋處于平衡狀態(tài)，差動變壓器輸出E20（u2u3）。靜態(tài)時由于鐵芯和導桿的自重使鐵芯位于次級線圈最下端，因而輸出一個負極性電壓；測量磙柱時導桿向上