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1、,差动变压器是把被测的非电量变化转换为传感器线圈的互感系数的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组常用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。,3.2.1 互感式传感器的结构与工作原理 分气隙型和螺管型两种。 目前多采用螺管型差动变压器。,3.2 互感式传感器-差动变压器,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器,变隙式差动变压器,当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出 互感变化时，输出电压将作相应变化,两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕
2、组的同名端则反向串联。,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为a0 =b0=0 两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压 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ab 两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理， 使最终输出电压的极性能反映位移的方向。,1. 工作原理,.输出特性,如果被测体带动衔铁移动,变隙式差动变压器输出特性 理想特性； 实际特性,结论：,供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值; 增加W2/W1的比值
3、和减少0都能使灵敏度K值提高; 以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的; 以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点; 上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。,螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,差动变压器线圈各种排列形式 1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁,(a) 二节式 (b) 三节式 (c) 四节式 (d) 五节式,三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。,差动变压器的等效电路,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时
4、的等效电路：,当次级开路时，初级绕组的交流电流为：,次级绕组的感应电动势为：,由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为,其有效值为, 铁芯处于中间位置时，M1 = M2 = M，U0 = 0 铁芯上升时，M1= M +M，M2= M -M, 铁芯下降时，M1 = M -M，M2 = M +M,与U1同极性,与U2同极性,e21,e22,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,差动变压器输出特性,1、激励电压幅值与频率的影响 激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。,3.2.2
5、差动变压器的输出特性,2、温度变化的影响 周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。,3、零点残余电压,0,x,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。,1 基波正交分量,(a)残余电压的波形,(b)波形分析,Ui,UZ,图中Ui为差动变压器初级的激励电压，UZ包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次
6、谐波和幅值较小的电磁干扰等。,2 基波同相分量,3 二次谐波,4 三次谐波,5 电磁干扰,零点残余电压产生原因： 基波分量 由于差动变压器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动势数值不等。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。,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(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含
7、高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,1从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,消除零点残余电压方法：,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,相敏检波后的输出特性,2选用合适的测量线路,3采
8、用补偿线路,在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。,在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻R是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。,串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,在次级绕组侧并联电位器W用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。电容C可防止调整电位器时使零点移动。,接入补偿线圈L以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。,4.2.3 差动变压器的测量电路,1. 差动整流电路,图4-14 全波差动
9、整流电路,+,+,4.2.3 差动变压器的测量电路,1. 差动整流电路,图4-14 全波差动整流电路,无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压U0始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。,+,+,铁芯在零位以上,铁芯在零位,t,t,Udc,Ugh,Udc,t,t,t,Ugh,U0,铁芯在零位以下,全波差动整流电路电压波形,结论： 铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，零点残存电压自动抵消。,1. 力和力矩的测量,1线圈 2衔铁 3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀； 当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,2. 微小位移的测量,1测端 2防尘罩 3轴套 4圆片簧 5测杆 6磁筒 7磁芯 8线圈 9弹簧 10导线,3. 压力测量,微压力传感器 1-接头；2-膜盒； 3-底座；4-线路板； 5-差动变压器线圈； 6-衔铁；7-罩壳； 8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合， 可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,4. 加速度传感器,1 悬臂梁； 2 差动变压器,End the 3.2,
