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1、 传感器原理与应用第四章4.2.1 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。4.2 4.2 互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器1 1 初级线圈初级线圈;2.3;2.3次级线圈次级线圈;4;4衔铁衔铁1243(a)气隙型123(b)螺管型4 传感器原理与应用第四章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。图4-10 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31121 2112212123三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高
2、、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。 传感器原理与应用第四章差动变压器的等效电路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP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）时的等效电路： 传感器原理与应用第四章当次级开路时，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 传感器原理与应用第四章其有效值为 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与与UU1 1同极性同极性与与UU2 2同极性同极性 传感器原理与
3、应用第四章e21e22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。 0 x图4-12差动变压器输出特性 传感器原理与应用第四章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。4.2.2 差动变压器的输出特性 传感器原理与应用第四章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。 传感
4、器原理与应用第四章3 3、零点残余电压、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点仍有一个微小的电压值( (从零点几从零点几mVmV到数十到数十mV)mV)存存在，称为在，称为零点残余电压。零点残余电压。 传感器原理与应用第四章1 基波正交分量(a)残余电压的波形 (b)波形分析13245UZtUiUZUt图中图中U Ui i为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压，U UZ Z包含基波同包含基波
5、同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。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 传感器原理与应用第四章零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因：基波分量基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的，因此它的等效电路参数等效电路参数（互感互感MM、自感自感L L及损耗及损耗电阻电阻R R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应不可能相同，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电动势数值不等。又因初级线圈中铜损电
6、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。等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。 传感器原理与应用第四章高次谐波高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性非线性引引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流起。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与磁通波形不一致产生了非正弦( (主要是三次谐波主要是三次谐波) )磁磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波
7、形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。致零点残余电压中有高次谐波成分。 传感器原理与应用第四章1 1从设计和工艺上保证结构对称性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，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。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，以提高磁性能的均并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的
8、均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工匀性和稳定性。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。作点应选在磁化曲线的线性段。 消除零点残余电压方法：消除零点残余电压方法： 传感器原理与应用第四章采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把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消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性特性曲线由曲线由1 1变到变到2 2，从而消除了零点残余电压。从而消除了零点残余电压。相敏检波后的输出特性
9、2 2选用合适的测量线路选用合适的测量线路 +xU0-x210 传感器原理与应用第四章3 3采用补偿线路采用补偿线路CR(a)在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电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。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，并联电阻电容可改变绕组的相位，并联电阻R R是为了利用是为了利用R R的分流作用，使流的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从入传感器
10、线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高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。次谐波所产生的残余电压。 传感器原理与应用第四章(b)CR串联电阻串联电阻R R可以调整次级线圈的电阻分量。可以调整次级线圈的电阻分量。 CR(a) 传感器原理与应用第四章在次级绕组侧并联电位器在次级绕组侧并联电位器WW用于电气调零，改变两个用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。次级线圈输出电压的相位。电容电容C C可防止调整电位器时可防止调整电位器时使零点移动。使零点移动。接入接入补偿线圈补偿线圈L L以避免负载不是纯电阻而引起较大的零以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压
11、。点残存电压。 R2WR1C(c)LW(d) 传感器原理与应用第四章4.2.3 4.2.3 差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路1. 1. 差动整流电路差动整流电路图4-14 全波差动整流电路R2R1abhgcfde+ + + 传感器原理与应用第四章4.2.3 4.2.3 差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路1. 1. 差动整流电路差动整流电路图图4-14 4-14 全波差动整流电路全波差动整流电路R2R1abh gcfde无论次级线圈的输出瞬时电无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输压极性如何，整流电路的输出电压出电压U U0 0始终等于始终等于R R1 1、R R2 2两
12、个电阻上的电压差。两个电阻上的电压差。 + + + 传感器原理与应用第四章铁芯在零位以上 铁芯在零位ttUdcUghtU0UdctttUghU0tUdctUghtU0铁芯在零位以铁芯在零位以下下全波差动整流电路电压波形结论：结论：铁芯在零位以上或铁芯在零位以上或零位以下时，输出零位以下时，输出电压的极性相反，电压的极性相反，零点残存电压自动零点残存电压自动抵消。抵消。 传感器原理与应用第四章容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压和和同频，经过移相器使同频，经过移相器使和和保持同相或反相，保持同相或反相，且满足且满足 。2 2 二级管相敏检波电路
13、二级管相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+ 传感器原理与应用第四章u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+当衔铁在当衔铁在中间位置中间位置时，位移时，位移x x（t t）= = 0 0，传感器输出电，传感器输出电压压=0,=0,只有只有起作用。起作用。 传感器原理与应用第四章正半周时正半周时 因为是从中心抽头，所以因为是从中心抽头，所以u u1 1= = u u ，故，故i i= = i i。流经。流经R RL L的的电流为电流为i i= = i i i i = =i4i3u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+- 传感器原理与应用第四章负半周时负半周
14、时 同理可知同理可知i i= = i i，所以流经，所以流经R RL L的电流为的电流为 i i= = i i i i = =i1i2u1u2+R-RLRD3D2D1D4RRT1T2-+ 传感器原理与应用第四章D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2-+-+i4当衔铁在当衔铁在零位以上零位以上时，位移时，位移x x( (t t) ) 0 0，与与同频同相同频同相 正半周时正半周时 i3故故i i i i，流经，流经R RL L的电流为的电流为i i= = i i i i 传感器原理与应用第四章负半周时负半周时 故故i i i i，流经流经R RL L的电流为的电流为i i=
15、 = i i i i i2i1D2u1u2+R-RLRD3D1D4RRT1T2-+e1e2+-+_ 传感器原理与应用第四章正半周正半周负半周负半周故故i i i i。流经。流经R RL L的电流为的电流为i i= = i i i i 当衔铁在当衔铁在零位以下零位以下时，位移时，位移x x( (t t) ) 0 0，与与同频反相同频反相 i4i3D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2+-+_ 传感器原理与应用第四章D2u1u2+R -RLRD3D1D4RRT1T2 -+e1e2- + -+同理同理: :在在负半周负半周正半周时：正半周时：i i i i。流经。流经R RL
16、L的电流为的电流为i i= = i i i i 表示表示i i0 0的的方向也与规定正方向相反。方向也与规定正方向相反。i2i1 传感器原理与应用第四章结论：结论：衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载半周，在负载R RL L上的输出电压始终为上的输出电压始终为0 0。衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载是负半周，在负载R RL L上得到的输出电压始终为正。上得到的输出电压始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载是负半周，在负载R RL L上得到的输出电压始终为负。上得到的输出电压始终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。 传感器原理与应用第四章二级管相敏检波在U1、U2同相位时的波形t tU U1 10 0U U2 2t t0 0t ti i1 10 0t ti i2 20 0t ti i4 40 0t ti i0 00 0t ti i3
