第4章+电感式传感器2

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。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311212112212123三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LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～iU0U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：当次级开路时，初级绕组的交流电流为：PP.iP.LjRUI次级绕组的感应电动势为：.P.IMjU11.P.IMjU22由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为.0124-19iPPUUjMMRjL其有效值为22210PPiLRUMMU①铁芯处于中间位置时，M1=M2=M，U0=0②铁芯上升时，M1=M+ΔM，M2=M-ΔMLRMUUPPi2202③铁芯下降时，M1=M-ΔM，M2=M+ΔMLRMUUPPi2202与U1同极性与U2同极性Ｕ０e21e22差动变压器输出电势Ｕ０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。0xＵ０图4-12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。4.2.2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0Ｕ０xＵＺ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13245UZtUiUZUt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：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。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。U0+x-x210相敏检波后的输出特性2．选用合适的测量线路3．采用补偿线路CR(a)1U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。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。(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4.2.3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R2图4-15全波差动整流电路电压波形R1abhgcfde1U0U++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R2图4-15全波差动整流电路电压波形R1abhgcfde1U0UhgdcghdcUUUUU0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ttUdcUghtU0Udc图4-15全波差动整流电路电压波形tttUghU0tUdctUghtU0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。容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压Ｕ２和Ｕ１同频，经过移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且满足Ｕ２＞＞Ｕ１。2．二级管相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+0U12U当衔铁在中间位置时，位移x（t）=0，传感器输出电压Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+0U12U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i4i3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。tU10U2t0ti10ti20ti40ti00二级管相敏检波在U1、U2同相位时的波形ti30图4-17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4-17的（a）变成（b），残存电压自动消失。x0UL（b）