第3章 電感式傳感器B--差動(dòng)變壓器式傳感器.ppt

1、1,第3章 電感式傳感器,3.1 變磁阻式傳感器 3.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 3.7 電渦流式傳感器,2,3.2 差動(dòng)變壓器式傳感器,把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器。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)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，圖3-11為差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。在非電量測(cè)量中， 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器， 它可以測(cè)量1100mm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)。,3,3.2.1 變隙式差動(dòng)變壓器 1. 工作原理 假設(shè)閉磁路變隙式差動(dòng)變壓器

2、的結(jié)構(gòu)如圖3-11（a）所示， 在A、B兩個(gè)鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個(gè)初級(jí)繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)， 而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián)。,4,圖 3-11 差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 （a）、 （b） 變隙式差動(dòng)變壓器; （c）、 （d） 螺線管式差動(dòng)變壓器,5,6,.輸出特性,圖3-12 變隙式差動(dòng)變壓器等效電路,7,如果被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng),圖3-13 變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性 理想特性； 實(shí)際特性,8,綜合以上分析， 可得到如下結(jié)論： 首先，供電電源Ui要穩(wěn)定，以便使傳感器具有穩(wěn)定的輸出特性；其次，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K

3、值，但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件。 增加W2/W1的比值和減小0都能使靈敏度K值提高。然而， W2/W1的比值與變壓器的體積及零點(diǎn)殘余電壓有關(guān)，不論從靈敏度考慮，還是從忽略邊緣磁通考慮，均要求變隙式差動(dòng)變壓器的0愈小愈好。為兼顧測(cè)量范圍的需要，一般選擇傳感器的0為0.5 mm 。,9, 以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容等條件下得到的，如果考慮這些影響，將會(huì)使傳感器性能變差（靈敏度降低，非線性加大等）。但是，在一般工程應(yīng)用中是可以忽略的。 以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的前提下得到的，而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn)，因此傳感器實(shí)際輸出特性如圖3-13中曲線2所示，存在零點(diǎn)殘余電壓

4、Uo。 進(jìn)行上述推導(dǎo)的另一個(gè)條件是變壓器副邊開(kāi)路，對(duì)由電子線路構(gòu)成的測(cè)量電路來(lái)講，這個(gè)要求很容易滿足，但如果直接配接低輸入阻抗電路， 就必須考慮變壓器副邊電流對(duì)輸出特性的影響。,10,-活動(dòng)銜鐵；-導(dǎo)磁外殼； -骨架；-匝數(shù)為W1初級(jí)繞組； -匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組； -匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組,3.2.2 螺線管式差動(dòng)變壓器 1. 工作原理,11,螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列方式不同可分為一節(jié)、 二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類(lèi)型，如圖3-15所示。一節(jié)式靈敏度高，三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小，通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類(lèi)。,圖3-15 線圈排列方式 （a） 一節(jié)式; （b） 二節(jié)式; （c） 三

5、節(jié)式; （d） 四節(jié)式; （e） 五節(jié)式,12,圖3-17 差動(dòng)變壓器輸出電壓的特性曲線,13,零點(diǎn)殘余電壓：,14,零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： 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。,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，

6、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。,15,消除零點(diǎn)殘余電壓方法： 1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱(chēng)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(guò)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。 2選用合適的測(cè)量線路,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

7、壓。,16,3采用補(bǔ)償線路 由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將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。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。,調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路,17,并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。,e1,e2,C,R1,R2,W,電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路,18,3. 差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小

8、，不能反映移動(dòng)的方向。另外，其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 (1) 差動(dòng)整流電路 根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是ehdcgf。可見(jiàn)，無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過(guò)電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見(jiàn)圖（b），其值為USC=eabecd。,19,全波整流電路和波形圖,e1,R,R,c,a,b,

9、h,g,f,d,e,USC,銜鐵在 零位以下,eab,t,t,t,eab,t,t,t,eab,t,ecd,t,USC,t,ecd,USC,USC,ecd,銜鐵在 零位以上,銜鐵在 零位,(b),(a),在f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是fgdche (參看圖a)。反之，如f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是ehdcgf。,20,(2) 相敏檢波電路 容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過(guò)移相器使er和e保持同相或反相，且滿足ere。調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。 當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD0。若鐵芯上移，e0，設(shè)e和er同相位，由于ere，故er正半周時(shí)D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢(shì)為ere，而D2回路內(nèi)總電勢(shì)為ere，故回路電流i1i2輸出電壓UCD=R0（i1i2）0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí)，,UCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD0。 由此可見(jiàn)，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。,21,4. 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。 差