1、.關(guān)鍵詞語：差動(dòng)變壓器式傳感器工作原理，螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)圖，差動(dòng)變壓器等效電路圖，差動(dòng)變壓器基本特性，差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路，差動(dòng)整流工作原理，差動(dòng)整流電路，相敏檢波電路圖，差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理圖，差動(dòng)變壓式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, 并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接, 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有

2、測(cè)量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有測(cè)量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 一、 工作原理螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如圖 4 -10 所示, 它由初級(jí)線圈#, 兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。 螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型, 如圖 4 - 11 所示。 一節(jié)式靈敏度高, 三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小, 通常采用的是二節(jié)式和

3、三節(jié)式兩類。 圖4-11 螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)圖差動(dòng)變壓器式傳感器中兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián), 并且在忽略鐵損、 導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下, 其等效電路如圖 4 - 12所示。當(dāng)初級(jí)繞組w1加以激勵(lì)電壓時(shí), 根據(jù)變壓器的工作原理, 在兩個(gè)次級(jí)繞組w2a和w2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和。 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有。 由于變壓器兩次級(jí)繞組反向串聯(lián), 因而, 即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。圖4-12 差動(dòng)變壓器等壓電路 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響, w2a中磁通將大于w2b, 使M1M2, 因而

4、增加, 而減小。 反之, 增加, 減小。因?yàn)? 所以當(dāng)、隨著銜鐵位移x變化時(shí), 也必將隨x變化。 圖 4 - 13 給出了變壓器輸出電壓與活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系曲線。實(shí)際上, 當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí), 差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零, 我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作, 它的存在使傳感器的輸出特性不過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。 零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。 零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生

5、的感應(yīng)電勢(shì)的幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置， 兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。 高次諧波中起主要作用的是三次諧波， 產(chǎn)生的原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性(磁飽和、磁滯)。 零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小, 否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。 二、 基本特性差動(dòng)變壓器等效電路如圖 4 - 12 所示。當(dāng)次級(jí)開路時(shí)有 (4 - 23)式中: 激勵(lì)電壓 的角頻率; 初級(jí)線圈激勵(lì)電壓; 初級(jí)線圈激勵(lì)電流; r1、 L1初級(jí)線圈直流電阻和電感。根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為:由于次級(jí)兩繞組反向串聯(lián), 且考慮到次級(jí)開路, 則由以上關(guān)系可得: (

6、4 - 26)輸出電壓的有效值為 (4 - 27)下面分三種情況進(jìn)行分析。(1) 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)M1=M2=M故=0 (2) 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) M1=M+M M2=M-M故=2M/r21+（L1）21/2, 與同極性。 (3) 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí) M1=M-MM2=M+M故 , 與同極性。 三、 差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓, 若用交流電壓表測(cè)量, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動(dòng)方向。另外, 其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的, 實(shí)際測(cè)量時(shí), 常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 1. 差動(dòng)整流電路這種電路

7、是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流, 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出, 圖 4 - 14 給出了幾種典型電路形式。 圖中（a）、（c）適用于交流負(fù)載阻抗, （b）、（d）適用于低負(fù)載阻抗, 電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。 下面結(jié)合圖 4 - 14（c）, 分析差動(dòng)整流工作原理。 圖4-14 差動(dòng)整流電路從圖 4 - 14（c）電路結(jié)構(gòu)可知, 不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何, 流經(jīng)電容C1的電流方向總是從 2 到 4, 流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8, 故整流電路的輸出電壓為 U2=U24-U68(4 - 28)當(dāng)銜鐵在零位時(shí), 因?yàn)閁24=U68 , 所以U2=0; 當(dāng)銜鐵

8、在零位以上時(shí), 因?yàn)閁24U68, 則U20; 而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí), 則有U24U68, 則U2 0時(shí), u2與u0同頻同相, 當(dāng)位移x 0時(shí), u2與u0為同頻同相, 當(dāng)u2與u0均為正半周時(shí), 見圖 4 - 15（a）, 環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 則可得圖 4 - 15（b）的等效電路。 圖 4 15 波形圖根據(jù)變壓器的工作原理, 考慮到O、M分別為變壓器T1、 T2的中心抽頭, 則有 u01= u02= (4 - 29) u21= u22=(4 - 30) 式中 n1#, n2為變壓器T1、T2的變比。采用電路分析的基本方法, 可求得圖 4 - 15（b

9、）所示電路的輸出電壓uL的表達(dá)式: 同理當(dāng)u2與u0均為負(fù)半周時(shí), 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導(dǎo)通。 其等效電路如圖 4 - 15（c）所示, 輸出電壓uL 表達(dá)式與式(4 -31）相同, 說明只要位移x0, 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓uL始終為正。當(dāng)x0時(shí),u2與u0為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)x0時(shí), 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周, 負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓uL表達(dá)式總是為所以上述相敏檢波電路輸出電壓uL的變化規(guī)律充分反映了被測(cè)位移量的變化規(guī)律, 即uL的值反映位移x的大小, 而uL的極性則反映了位移x的方向。 四、 差動(dòng)變壓式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量, 也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量, 如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 圖 4 - 17 所示為差動(dòng)