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1、采用差动变压器式电感传感器设计一套位移测量系统的设计方案1.差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。2.工作原理差动变压器是一种线圈互感随衔铁位移而变化的转换器。差动变压器等效电路如图1所示。图1 差动变压器等效电路其磁路是
2、开放的, 次级的2 个线圈连接成差动结构。根据图1可以推算差动变压器输出电压的有效值为 (1)式中 M1, M2 分别为初级线圈L1 与次级线圈L 21, L22的互感, H; R1 为初级线圈的电阻, 8 ; Ui 为初级线圈的激励电压, V。差动变压器的互感量与其内部的磁场变化相关联,而磁场的变化又取决于衔铁在开磁路中的位置。因此, 在一定范围内, 只要衔铁位移, 差动变压器的输出电压就产生相应的变化, 近似线性关系, 输出电压Uo 是衔铁位移量x 的单值函数。衔铁在差动变压器的几何中心位置时, 如次级的2个线圈的参数和磁路尺寸相等, 则M 1 = M2, 参照式( 1)运算, 此时, 差
3、动变压器的输出电压为零。但实际制作时, 次级2个线圈的电气参数和几何尺寸存在一定的差异, 所以, 当衔铁处于中间位置时, 定有不平衡输出, 即存在零点残余电压。零点残余电压包含基波和高次谐波。基波的正交分量使输出信号产生相移, 相移跟随输出信号的大小而变化。高次谐波分量是磁性材料磁化曲线的非线性引起的。零残电压的存在造成极大的负面效应, 使传感器在零点附近测量时灵敏度大大降低, 分辨力变差, 测量误差增大。为了最大限度地消除零残电压, 首要条件是保证次级2个线圈的电气参数和几何尺寸的一致性和磁路的对称性。在此基础上, 选择适宜的补偿电路亦是至关重要的, 可进一步减小零残电压。本方案使用图2的补
4、偿电路, 电路中增加了反馈支路。图2 差动变压器零残电压补偿电路3. 差动变压器式传感器测量电路 差动变压器输出的是交流电压, 若用交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 而不能反映移动方向。另外, 其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的, 实际测量时, 常常采用相敏检波电路。 (1)相敏检波电路电路如图 3所示。VD1、VD2、VD3、 VD4 为四个性能相同的二极管, 以同一方向串联成一个闭合回路, 形成环形电桥。 输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线。 参考信号u0通过变压器T2加入环形电桥的另
5、一个对角线。 输出信号uL从变压器1与2的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用, 避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL为负载电阻。u0的幅值要远大于输入信号u2的幅值, 以便有效控制四个二极管的导通状态, 且u0和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电， 保证二者同频、同相（或反相）。 图 3 相敏检波电路由波形图（a）、（c）、 (d)可知, 当位移x 0时, u2与u0同频同相, 当位移x 0时, u2与u0为同频同相, 当u2与u0均为正半周时, 见图 3（a）, 环形电桥中二极管VD1、D4截止, VD2、VD3导通, 则可得图 3（b）的等效电路。 图3波形图根据变压
6、器的工作原理, 考虑到O、M分别为变压器T1、 T2的中心抽头, 则有 u01= u02= (4 - 29) u21= u22=(4 - 30) 式中 n1, n2为变压器T1、T2的变比。采用电路分析的基本方法, 可求得图 3（b）所示电路的输出电压uL的表达式: 同理当u2与u0均为负半周时, 二极管VD2、VD3截止, VD1、 VD4导通。 其等效电路如图 3（c）所示, 输出电压uL 表达式与式(4 -31）相同, 说明只要位移x0, 不论u2与u0是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压uL始终为正。当x0时,u2与u0为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到当x0时, 不论u
7、2与u0是正半周还是负半周, 负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为所以上述相敏检波电路输出电压uL的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律, 即uL的值反映位移x的大小, 而uL的极性则反映了位移x的方向。 振荡器RC选频网络和同相比例运算电路所构成的RC桥式正弦波振荡电路。电路中负反馈网络的R1，Rf以及正反馈网络串联的R和C，并联的R和C各为一臂构成桥路。集成运放的输出端和“地接桥路的两个顶点作为电路的输出；集成运放的同相输入端和反相输入端接另外两个顶点，是集成运放的净输入电压。RC桥式正弦波振荡电路具有大的输入电阻和小的输出电阻，减小放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅由
8、选频网络决定。压控低通滤波器放大器与电阻R2，R3构成同相放大器，称为压控电压源。电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于C的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于C的电抗趋于零，因而V0趋于零。所以只要正反馈引入得当，就既能在f=f0时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。压控电压源可由任何增益有限的电压放大器实现，压控增益为Kf=1+R3/R2.移相器实际上电路除了有移相功能外，也一定会对信号的幅度进行不同程度的衰减，因此在移相过程中或移相后，我们还要注意对其进行一定的幅度补偿，以达到设计的要求，这一般可以通过同相放大电路来实现移相电路工作原理的理论推导如下；欢迎浏览
