实验五差动变压器的性能实验资料

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1、实验五 差动变压器的性能实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性。二、基本原理差动变压器的工作原理是电磁互感原理。差动变压器的结构如图51 所示，由一个一 次绕组1 和二个二次绕组2、3 及一个衔铁4 组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随 衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接 （同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通 常简称差动变压器。当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），它的 等效电路如图52所示。图中Ui为一次绕组激励电压；M、M2分别为一次绕组与两个二次 绕组间的

2、互感：L、只分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的 电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时， 两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向 串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L2i，这时互感M大，M2小，因而二 次绕组l21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。图51差动变压器的结构示意图图52差动变压器的等效电路图在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二 次绕组L22 边移动差动输出电动势仍不为零，但由

3、于移动方向改变，所以输出电动势反 相。因此通过差动变压器输出电动势的大小 和相位可以知道衔铁位移 量的大小和方向。由图 52 可以看出一次绕组的电流为：为:二次绕组的感应动势由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为:爲二其有效值为:差动变压器的输出特性曲线如图53所示。图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出 感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示 理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动 变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在 敏，给测量带来 小是衡量差

4、动变 重要指标。为了 动势可采取以下零点附近不灵 误差，此值的大 压器性能好坏的 减小零点残余电 方法：图 53 差动变压器输出特性1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理， 消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出 特性，减小零点残余电动势。3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图 54是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整Wl、W2时,可使零点残余电动势减小。图54 减小零点残余电动势电路简单的原理说明：差动变压器由一只初

5、级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外 层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当差动变压器随着被测体移动时 差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次 级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反 向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动量。三、实验设备与器件单元主机箱中的土 15V直流稳压电源、音频振荡器；差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。四、实验步骤1、将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1为初级线圈；

6、L2、L3为次级线圈；大号为同名端，如下图5 5。永宴紧嘿母 z差勘蛮汗器图55 差 动变压器性能实验安装、接线图2、按图55接线，差动变压器的原边L1的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv 端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为45KHz，调节输出 幅度峰峰值为Vp-p=2V （用示波器监测）。3、调节变压器铁芯大约处在变压器的中间位置先调节测微头的微分筒，让测微头的起始刻度大约处在10mm附近的合适位置，保证实 验时测微头向左右两个方向都有充裕的位移距离；并用数字示波器的第二通道（探头设在1X 位置，并在通道菜单里把倍乘数也设为1X）监测电路的3、4端点输出信号波

7、形的电压；然 后松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套（也就是移动整个测微头，而不是只调 节微分筒，这样做是为了保证测微头的起始刻度大约处在10mm的合适位置），通过观测示 波器第二通道显示的输出波形，当输出信号波形的 Vp-p 比较小时，则变压器铁芯接近变压 器的中间位置，然后拧紧紧固螺钉。4、微调变压器铁芯至变压器的中间位置并测量零点残余电压 先把数字示波器的采样模式设置为16 次的平均值采样。紧接上一步骤，仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道输出波形的Vp-p达到最小值，则变压器铁芯处在了变压器的 中间位置，记录下此时输出波形的最小Vp-p值（不大于3mV）,此最小Vp-p就是差

8、动变压 器的零点残余电压；并把此位置定为位移的相对零点，记住此位置的刻度值（如果此时微分 筒和轴套的刻度线没对齐，可以微调对齐以得到比较准确的起始刻度，方便下面的位移读 数）。5、差动变压器的位移实验这时变压器铁芯可以左右位移（0 点左边为负方向，右边为正方向），选择一个方向，从 Vp-p最小处开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm （取15个点，共3mm）从示波器上读出一 个输出电压Vp-p值，填入下表5；然后将测位头退回到Vp-p最小处开始反方向做相同的位 移实验（也取15个点，共3mm；两个方向加上零点总共要读取31个点的数据）。在实验过程中请注意：（1）从Vp-p最小处决定位移方向后，

9、测微头只能按所定方向调 节位移，中途不允许回调，否则，会由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验 时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好回到零点重新做实验（。2）当 一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化是 正常的（实际上很难回到原来的起始位置），做实验时位移取相对变化量XuOQmm为定 值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。（3）在 Vp-p 最小处可以假设此处的刻度 为 0,不用记录实际的刻度值，这样比较方便灵敏度和非线性误差的计算。6、根据表5画出实验的X-Vop-p曲线，并与图5 3差动变压器的输出特性曲线做比较，

10、分 析评价实验结果。7、以位移零点为起点，计算位移距离分别为41mm、一1mm及+ 3mm、3mm时的灵敏度 和非线性误差（计算灵敏度和非线性误差时可以忽略零点残余电压）。X(mm)-3-2.8-2.6-2.4-2.2-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.2V(mv)107098488880871663655648040031824616691.2186104X(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.83V(mv)84.810216426033844053262872684894410301120122013108、实验

11、完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。表 5 （请自制合适的表格用于填写实验数据）五.思考题查阅传感器相关理论知识，说明什么是差动变压器的零点残余电动势？如何产生？如何 减少零点残余电动势和它的影响？结合你在本次实验中测得零点残余电动势的多少，以及灵 敏度和非线性误差的计算结果，评价实验所用传感器的性能。 在没有输入信号时，通过调节平衡旋扭，使输出最小，这一最小电压就是它的零点残余电 压。是由于器件的各种参数不对称造成的。产生原因：产生零点残余电压的原因大致有如下两点：（1）由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺 寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波

12、分量。 （2）由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通 波形不一致，从而形成零点残余电压的高次谐波分量。残余电动势大概为 2mv 左右由上图可知灵敏度和非线性误差分别为传感器性能：六、误差分析分析本次实验过程中导致测量结果产生误差的各种原因和减少误差的方法1. 调零没有调准，示波器比较落后。2. 传感器存在非线性误差3. 温度影响了结果4. 测微头有误差实验六 激励频率对差动变压器特性的影响一、实验目的了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。二、基本原理（M M ）U差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：U =2十表示，式中0,R22L2H

13、ppLp、RP为初级线圈电感和损耗电阻，U、为激励电压和频率，Ml、M2为初级与两次级间 Pi互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2e2LP2，则输出电压 Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当e2LP2RP2时输出Uo与e无关，当然 e过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。三、需用器件与单元主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。四、实验步骤1、差动变压器及测微头的安装、接线同实验五图55,检查接线无误后，合上主机箱 电源开关。2、调节主机箱音频振荡器Lv输出频率为2K，Vp-p = 2V（用示波器监测）。调节差动变 压器的铁芯大约处在线

14、圈的中心位置，即此时电路的3、4端点输出信号的Vp-p要比较小（用 示波器监测）。（方法与实验五步骤3相同，注意调节测微头的位置大约处在刻度的中间位 置，不要太偏向一端。）3、向任一方向调节测微头让差动变压器的铁芯做位移，位移量X=2.5mm （即是测微 头旋动5圈），使差动变压器有某个较大的Vp-p输出，记录下此Vp-p输出，并填入表6的第 一格。4、在保持位移量2.5mm不变的情况下，改变激励信号（音频振荡器）的频率从 3KHz lOKHz （激励电压Vp-p = 2V保持不变，可用主机箱的频率表监测频率的变化）时，记 录差动变压器相应输出的Vp-p值，填入表6。表6F(Hz)2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHzlOKHzVpp(mv)1226340452554218965238325、根据表6的数据作出差动变压器的幅频（FVp-p）特性曲线，标出大致的谐振点。图表标题由图知K=5kHz时是位移量2.5mm时差动变压器的谐振点6、实验完毕，关闭电源，整理好实验台上的实验物品。五、思考题你认为检测频率特性对差动变压器的应用有什么意义？在相同位移量的条件下，改变激励信号的频率，差动变压器输出的电动势不同。为了提