《差动式传感器》PPT课件.ppt

,3.2 差动变压器,差动变压器是把被测的非电量变化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，把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。1.变隙式 2.变面积式 3.螺线管式,(a)、(b)变隙式差动变压器；(c)、(d)螺线管式差动变压器；(e)、(f)变面积式差动变压器,3.2.1 变隙式差动变压器,当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化,两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。,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为a0=b0=0两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使ab两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。,1.工作原理,.输出特性,如果被测体带动衔铁移动,图3.2.3 变隙式差动变压器输出特性 理想特性；实际特性,（）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值;（）增加W2/W1的比值和减少0都能使灵敏度K值提高;（）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的;（）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点;（）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。,.螺线管式差动变压器,1.工作原理2.基本特性 3.主要性能4.零点残余电压及消除方法5.转换电路,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3-10 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,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。,.工作原理,在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为,激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为,图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线,.主要性能,（1）灵敏度（2）线性度,灵敏度与线性度,差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以400Hz10kHz为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。,例：欲测量20mm2mm轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜？,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。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。,4.零点残余电压及消除方法,4.零点残余电压及消除方法,消除零点残余电压方法：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。2选用合适的测量线路,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。,补偿零点残余电压的电路,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。,补偿零点残余电压的电路,R2,W,R1,C,(c),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。,补偿零点残余电压的电路,5.转换电路,能辨别移动方向 消除零点残余电压（1）差动整流电路（2）相敏检波电路（3）直流差动变压器电路,（1）差动整流电路,(a)、(b)适用于高阻抗负载(c)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调整零点残余电压。,全波整流电路和波形图,衔铁在零位以下,衔铁在零位以上,衔铁在零位,(a),容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压和同频，经过移相器使和保持同相或反相，且满足。,(2)二级管相敏检波电路,（2）相敏检波电路,（a）相敏检波电路原理图；（b）us、u2为正半周时等效电路；(c)us、u2为负半周时等效电路,相敏检波电路波形,(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形,（3）直流差动变压器电路,应用场合：需要远距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器，且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合。,3.2.3 差动变压器应用,1.力和力矩的测量2.微小位移的测量3.压力测量4.加速度传感器,1.力和力矩的测量,1线圈2衔铁3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,2.微小位移的测量,1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线,3.压力测量,4.加速度传感器,用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。测量振动与加速的电感传感器结构图。衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。,采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。,5.液位测量传感器,