差動(dòng)變壓器教材

差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為傳感器線圈的互感系數(shù)的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組常用差動(dòng)的形式連接，故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。

3.2.1互感式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。3.2互感式傳感器---差動(dòng)變壓器1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵1243(a)氣隙型123(b)螺管型4(a)、(b)變隙式差動(dòng)變壓器；(c)、(d)螺線管式差動(dòng)變壓器；(e)、(f)變面積式差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器

當(dāng)一次側(cè)線圈接入激勵(lì)電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出互感變化時(shí)，輸出電壓將作相應(yīng)變化

兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反向串聯(lián)。當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙為δa0=δb0=δ0兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反向串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2a≠e2b，輸出電壓

電壓的大小反映了被測(cè)位移的大小，通過用相敏檢波等電路處理，使最終輸出電壓的極性能反映位移的方向。1.工作原理２.輸出特性如果被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性１理想特性；２實(shí)際特性結(jié)論：

供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值;增加W2/W1的比值和減少δ0都能使靈敏度K值提高;以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容條件下得到的;以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對(duì)稱前提下得到的，而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn);上述推導(dǎo)是在變壓器副邊開路的情況下得到的。螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1初級(jí)線圈；2次級(jí)線圈；3銜鐵(a)二節(jié)式(b)三節(jié)式(c)四節(jié)式(d)五節(jié)式311212112212123三節(jié)式的零點(diǎn)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)式改善了傳感器線性度。差動(dòng)變壓器的等效電路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響）時(shí)的等效電路：當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)繞組的交流電流為：次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：由于次級(jí)繞組反向串接，故差動(dòng)變壓器輸出電壓為其有效值為①鐵芯處于中間位置時(shí)，M1=M2=M，U0=0②鐵芯上升時(shí)，M1=M+ΔM，M2=M-ΔM③鐵芯下降時(shí)，M1=M-ΔM，M2=M+ΔM與U1同極性與U2同極性Ｕ０e21e22差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)Ｕ０與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。0xＵ０差動(dòng)變壓器輸出特性1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響

激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。3.2.2差動(dòng)變壓器的輸出特性2、溫度變化的影響

周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。3、零點(diǎn)殘余電壓

0Ｕ０xＵＺ當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。1基波正交分量(a)殘余電壓的波形(b)波形分析13245UZtUiUZUt圖中Ui為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，UZ包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。2基波同相分量3二次諧波4三次諧波5電磁干擾零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：①基波分量

由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。

②高次諧波

高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。1．從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性

為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。消除零點(diǎn)殘余電壓方法：采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。相敏檢波后的輸出特性2．選用合適的測(cè)量線路+xU0-x2103．采用補(bǔ)償線路CR(a)在差動(dòng)變壓器次級(jí)繞組側(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)殘存電壓減小。在次級(jí)繞組側(cè)并聯(lián)電容。由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變繞組的相位，并聯(lián)電阻R是為了利用R的分流作用，使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。(b)CR串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。

CR(a)在次級(jí)繞組側(cè)并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓的相位。電容C可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。接入補(bǔ)償線圈L以避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘存電壓。

R2WR1C(c)LW(d)4.2.3差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路1.差動(dòng)整流電路圖4-14全波差動(dòng)整流電路R2R1abhgcfde++4.2.3差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路1.差動(dòng)整流電路圖4-14全波差動(dòng)整流電路R2R1abhgcfde無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，整流電路的輸出電壓U0始終等于R1、R2兩個(gè)電阻上的電壓差。++鐵芯在零位以上鐵芯在零位ttUdcUghtU0UdctttUghU0tUdctUghtU0鐵芯在零位以下全波差動(dòng)整流電路電壓波形結(jié)論：鐵芯在零位以上或零位以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，零點(diǎn)殘存電壓自動(dòng)抵消。1.力和力矩的測(cè)量1－線圈2－銜鐵3－彈性元件優(yōu)點(diǎn)：承受軸向力時(shí)應(yīng)力分布均勻；當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)，受橫向偏心的分力的影響較小。

2.微小位移的測(cè)量1－測(cè)端2－防塵罩3－軸套4－圓片簧5－測(cè)桿6－磁筒7－磁芯8－線圈9－彈簧10－導(dǎo)線