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1、19-20学时差动变压器1.工作原理2.输出特性本学时主要讲解内容:3.测量电路第3章变阻抗式传感器原理与应用(2)工程测试技术一.差动变压器概述与工作原理1.概述：差动变压器式传感器简称差动变压器.（LinerVariableDifferentialTransformer简称LVDT）它将被测的非电量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。由于它的次级绕组用差动形式连接。故称为差动变压器式传感器。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f差动变压器有多种结构形式。目前多采用变气隙
2、型和螺管型两种。图: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。311212112212123(c)四节式(a)二节式(b)三节式(d)五节式图2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。2.变隙式差动变压器工作原理：它是一个有可动铁芯，二个初级线圈和二个次级线圈的变压器.传感器的可动铁芯和被测物相连,二个次级
3、线圈接成差动形式,可动铁芯的位移利用线圈的互感M作用转换成感应电动势的变化,从而得到被测位移.Usc由于互感,初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势E21和E22。又因接成差动形式,即两个感应电动势反向串联,则输出电压设两个次级线圈完全相同,当铁芯处在中间位置时,感应电动势E21=E22,此时输出电压Usc=E21-E22=0Usc当铁芯向上移动时,次级线圈2中穿过的磁通减少,感应电动势E22也减少,而次级线圈1中穿过的磁通增多,感应电动势E21也增大,则Usc=E21-E22>0反之,当铁芯向下移动时,则U
4、sc=E21-E22<0可见,输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向。二.差动变压器的输出特性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。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0Ｕ０X（输入位移）ＵＺ但
5、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ＵＺ。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。1基波正交分量(a)残余电压的波形(b)波形分析13245UZtUiUZUtUZ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电磁干扰图中Ｕi为差动变压器初级的激励电压。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
6、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
7、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。12U0-x+x0相敏检波后的输出特性(2)选用合适的测量线路如图，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。(3)采用补偿线路CR(a)在差动变压器次级绕组侧串、并联适当
8、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。例如图(a)在输出端接一可调电位器R,改变电位器的大小,可使二只次级线圈的输出电压的大小和相位发生改变,从而使零位电压为最小值.这种方法可对零点电压的基波分量有补偿效果,但无法补偿谐波分量,所以在输出端再并联一只电容C,就可有效补偿高次谐波分量.(b)CR串联电阻R可以
