差动变压式传感器及其应用

1主要内容1.1差动变压式传感器分类1.2具体分类的原理1.3差动变压式传感器应用第一章差动变压式传感器21.1差动变压式传感器分类按结构来分可以分为：变隙式差动变压器螺线管式差动变压器　螺线管式差动变压器结构次级线圈1初级线圈次级线圈2衔铁壳体骨架31.2.1变隙式差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈、线圈框架组成。W1a及W1b为初级绕组，W2a及W2b为次级绕组，C为衔铁。为反映差值互感，将两个初级绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压U1两个次级绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电势U2。1.工作原理3.2差动变压器4当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有δa0=δb0=δ0。则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，差动变压器输出电压：U2=e2a-e2b=0。3.2差动变压器1.2.1变隙式差动变压器5在实际应用中当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压U2=e2a-e2b≠0，即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性将反映被测体位移的大小和方向。3.2差动变压器1.2.1变隙式差动变压器61.2.1变隙式差动变压器2.输出特性在忽略铁耗（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下等效电路。r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕组的电阻与电感。iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2b2URLMaMb－＋－＋　差动变隙式变压器的等效电路3.2差动变压器7当r1aωL1a，r1bωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，得变隙式差动变压器输出电压U2的表达式，1122UWWUabab01122UWWU分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0，则U2=0。如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正）时，则有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得3.2.1变隙式差动变压器iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2b2URLMaMb－＋－＋　差动变隙式变压器的等效电路1.2.1变隙式差动变压器3.2差动变压器801122UWWU3.2.1变隙式差动变压器上式表明：变压器输出电压与衔铁位移量Δδ/δ0成正比。“－”号的意义:当衔铁向上移动时，Δδ/δ0定义为正，变压器输出电压与输入电压Ui反相（相位差180°）；当衔铁向下移动时，Δδ/δ0则为-|Δδ/δ0|，表明Uo与Ui同相。1.2.1变隙式差动变压器3.2差动变压器变隙式差动变压器灵敏度K01122UWWUK93.2.1变隙式差动变压器01122UWWUK提高灵敏度的方法:①适当提高电源的幅值可以提高灵敏度K值②增加W2/W1的比值③减小δ0都能使灵敏度K值提高。1.2.1变隙式差动变压器3.2差动变压器01122UWWU103.2.1变隙式差动变压器变隙式差动变压器输出电压U2与位移Δδ的关系曲线。2U12e2ae2be2ae2bUo-O+零点残余电压：差动变压器可动衔铁处在中间位置时，理想条件下ΔU0=0；而实际ΔU0为几mV到几十mV。（严格对称）1.2.1变隙式差动变压器3.2差动变压器01122UWWU11•1.2.1变隙式差动变压器•1.2.2螺线管式差动变压器•1.2.3差动变压器应用3.2差动变压器1.2.2螺线管式差动变压器3.2差动变压器123.2.2螺线管式差动变压器1.工作原理1.2.2螺线管式差动变压器133.2.2螺线管式差动变压器1.工作原理两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路。Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1＋－＋－＋－＋－1.2.2螺线管式差动变压器3.2差动变压器143.2.2螺线管式差动变压器1.工作原理当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感M1=M2。根据电磁感应原理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b=0，即差动变压器输出电压为零。Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1＋－＋－＋－＋－3.2差动变压器153.2.2螺线管式差动变压器当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。　螺线管式差动变压器结构次级线圈1初级线圈次级线圈2衔铁壳体骨架1.2.2螺线管式差动变压器3.2差动变压器163.2.2螺线管式差动变压器当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压不等于零。把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作ΔUo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。　差动变压器的输出特性W2bW1W2a0xox理论特性曲线实际特性曲线oUΔ22oabUEE2aE2bEoU1.2.2螺线管式差动变压器3.2差动变压器173.2.2螺线管式差动变压器零点残余电压产生的主要原因：由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称以及磁性材料的非线性等引起的。1.2.2螺线管式差动变压器3.2差动变压器18•1.2.1变隙式差动变压器•1.2.2螺线管式差动变压器•1.2.3差动变压器应用3.2差动变压器1.2差动变压器193.2.3差动变压器应用可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。11B2Ax(t)1—悬臂梁；2—差动变压器测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。1.2.3差动变压器应用3.2差动变压器差动变压器式加速度传感器203.2差动变压器21222324