项目4.2差动变压器式位移传感器在微小测量中的应用（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

06 一月 2024 1 项目二 差动变压器式位移传感器在微小测量中的应用 一、项目目标 通过该项目的学习，掌握差动变压器式位移传感器的工作原理和特性，了解零点电压产生的原因及补偿方法，学会正确使用差动变压器式位移测量仪。 利用差动变压器式位移传感器设计一线位移测量装置，控制范围0～100mm。 二、项目分析 差动变压器的工作原理是基于电磁互感原理，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。 位移传感器的应用 06 一月 2024 2 由于把二个二次绕组反向串接（＊同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。差动变压器的结构示意图如图4.5所示。 1—一次绕组 2、3—二次绕组 4—衔铁 图4.5 差动变压器的结构示意图 位移传感器的应用 06 一月 2024 3 在理想情况下，差动变压器的等效电路图如图4.6所示。 图4.6 差动变压器的等效电路图 位移传感器的应用 06 一月 2024 4 图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。 位移传感器的应用 06 一月 2024 5 当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。 位移传感器的应用 06 一月 2024 6 由图4.6可以看出一次绕组的电流为： （4.3） 二次绕组的感应动势为： （4.4） 由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为： （4.5） 位移传感器的应用 06 一月 2024 7 其有效值为： （4.6） 差动变压器输出特性曲线图如图4.7所示。 图4.7 差动变压器输出特性曲线图 位移传感器的应用 06 一月 2024 8 图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。 位移传感器的应用 06 一月 2024 9 ⑴尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。 ⑵选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。 为了减小零点残余电动势可采取以下方法： 位移传感器的应用 06 一月 2024 10 三、项目实施 1．电路原理 差动变压器测位移电路图如图4.9所示。 图4.9 差动变压器测位移电路图 实验模板中的L1为差动变压器的初级线圈，L2、L3为次级线圈，＊号为同名端；L1的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入。 位移传感器的应用 06 一月 2024 11 2．电路制作 检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器的频率为4kHz～5kHz、幅度为峰峰值Vp-p＝2V作为差动变压器初级线圈的激励电压(示波器设置提示：触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO 。垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、CH1灵敏度VOLTS/DIV在0.5V～1V范围内选择、CH2灵敏度VOLTS/DIV在0.1V～50mV范