2010-19-20变磁阻式传感器2

19-20学时差动变压器1.工作原理2.输出特性本学时主要讲解内容:3.测量电路第3章变阻抗式传感器原理与应用(2)工程测试技术一.差动变压器概述与工作原理1.概述：差动变压器式传感器简称差动变压器.（LinerVariableDifferentialTransformer简称LVDT）它将被测的非电量转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的。由于它的次级绕组用差动形式连接。故称为差动变压器式传感器。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f差动变压器有多种结构形式。目前多采用变气隙型和螺管型两种。图:1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243(a)气隙型123(b)螺管型4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。311212112212123(c)四节式(a)二节式(b)三节式(d)五节式图2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。2.变隙式差动变压器工作原理：它是一个有可动铁芯，二个初级线圈和二个次级线圈的变压器.传感器的可动铁芯和被测物相连,二个次级线圈接成差动形式,可动铁芯的位移利用线圈的互感M作用转换成感应电动势的变化,从而得到被测位移.I1E21UsrUscUsrUsrE22(a)(b)Usc由于互感,初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势E21和E22。又因接成差动形式,即两个感应电动势反向串联,则输出电压2122scUEE设两个次级线圈完全相同,当铁芯处在中间位置时,感应电动势E21=E22,此时输出电压Usc=E21-E22=0I1E21UsrUscUsrUsrE22(a)(b)Usc当铁芯向上移动时,次级线圈2中穿过的磁通减少,感应电动势E22也减少,而次级线圈1中穿过的磁通增多,感应电动势E21也增大,则Usc=E21-E220反之,当铁芯向下移动时,则Usc=E21-E220可见,输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向。二.差动变压器的输出特性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。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0Ｕ０X（输入位移）ＵＺ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ＵＺ。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。1基波正交分量(a)残余电压的波形(b)波形分析13245UZtUiUZUtUZ包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰图中Ｕi为差动变压器初级的激励电压。零点残余电压产生原因：①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。②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。12U0-x+x0相敏检波后的输出特性(2)选用合适的测量线路如图，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。(3)采用补偿线路CR(a)0U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。iU例如图(a)在输出端接一可调电位器R,改变电位器的大小,可使二只次级线圈的输出电压的大小和相位发生改变,从而使零位电压为最小值.这种方法可对零点电压的基波分量有补偿效果,但无法补偿谐波分量,所以在输出端再并联一只电容C,就可有效补偿高次谐波分量.(b)CR1U0U串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。CR(a)1U0UR2WR1C(c)1U0U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。LW(d)1U0U4.差动变压器的灵敏度与线性度:差动变压器的灵敏度与激励电源频率成正比,通常传感器所用的激励电源频率在中频(400Hz~10kHz)范围,其电压灵敏度可达0.1~5V/mm。由于灵敏度高,在测量大位移时可不用放大器,因此测量线路简单。为了使传感器有较好的线性度,一般取测量范围为线圈骨架长度的1/10~1/4,激励电源频率采用中频,配用相敏检波式测量电路等,均可改变差动变压器的线性度.一般测±9mm位移的差动变压器,线性范围约±(5~6)mm。活动衔铁的直径在允许的条件下尽可能粗些,这样有效磁通较大。在不影响线性度的情况下,初级线圈的输入电压(电流)尽可能高些。三.差动变压器的测量电路(1)差动整流电路图:全波差动整流电路hgdcghdcUUUUU0R2R1abHgcfde1U0U++该电路是把差动变压器的二个次级输出电压分别整流,然后将整流的电压的差值作为输出.例右图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ttUdcUghtU0UdctttUghU0tUdctUghtU0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。图中4个性能相同的二极管以同一方向串联成一个环形闭合回路,输入信号U1通过变压器T1加到环合电路的对角线上,比较电压U2通过变压器T2加到环合电路的另一对角线上,输出信U0号从变压器T1,T2的中间抽头引出,容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压Ｕ２和差动变压器的输出电压Ｕ１同频，经过移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且满足Ｕ２＞＞Ｕ１,以便有效控制四个二极管的导通状态。(2)二级管相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+0U12URLU0当衔铁在中间位置时，位移x（t）=0，传感器输入电压Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+0U12Ui4i3正半周时LRRui14L3RRui2因为是从中心抽头，所以u1=u２，故i３=i４。流经RL的电流为i０=i４－i３=０u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+-0U12U负半周时L2RRui1L1RRui2同理可知i１=i２，所以流经RL的电流为i０=i１－i２=０i1RLi2u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+0U12UD2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-0U12Ue1e2-+-+i4当衔铁在零位以上时，位移x（t）0，Ｕ１与Ｕ２同频同相。正半周时LRReui214L2RReui23i3故i４＞i３，流经RL的电流为i０=i４－i３＞０u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+01U2U负半周时L121RReuiL112RReui故i１＞i２，流经RL的电流为i０=i１－i２＞０i2i1e1-++e2-Ｕ２正半周Ｕ１负半周LRReui214L2RReui23故i４＜i３。流经RL的电流为i０=i４－i３＜０当衔铁在零位以下时，位移x（t）＜0，Ｕ１与Ｕ２同频反相。0U1e1e2+-+-D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-2Ui4i3同理:在Ｕ２负半周Ｕ１正半周时：i１＜i２。流经RL的电流为i０=i１－i２＜０．表示i0的方向也与规定的正方向相反。L121RReuiL112RReuiD2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-2U+-+-0U1e1e2i2i1结论：１．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RL上的输出电压始终为0。２．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RL上得到的输出电压始终为正。３．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RL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。图3-17相敏检波前后的输出特性曲线x0UL（a）经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图3-17的（a）变成（b），残存电压自动消失。x0UL（b）