第4章电感式传感器2.ppt
4.2.1 互感式传感器的结构与工作原理 分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。,4.2 互感式传感器-差动变压器,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,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4-10 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,(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式,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。,差动变压器的等效电路,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：,当次级开路时，初级绕组的交流电流为：,次级绕组的感应电动势为：,由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为,其有效值为,铁芯处于中间位置时，M1=M2=M，U0=0 铁芯上升时，M1=M+M，M2=M-M,铁芯下降时，M1=M-M，M2=M+M,与U1同极性,与U2同极性,e21,e22,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,图4-12差动变压器输出特性,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。,4.2.2 差动变压器的输出特性,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,0,x,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。,1 基波正交分量,(a)残余电压的波形,(b)波形分析,Ui,UZ,图中i为差动变压器初级的激励电压，UZ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,零点残余电压产生原因：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。,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。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。,相敏检波后的输出特性,2选用合适的测量线路,3采用补偿线路,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。,串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,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。,4.2.3 差动变压器的测量电路,1.差动整流电路,图4-14 全波差动整流电路,+,+,4.2.3 差动变压器的测量电路,1.差动整流电路,图4-14 全波差动整流电路,无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压U0始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。,+,+,铁芯在零位以上,铁芯在零位,t,t,Udc,Ugh,Udc,图4-15 全波差动整流电路电压波形,t,t,t,Ugh,U0,铁芯在零位以下,全波差动整流电路电压波形,结论：铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，零点残存电压自动抵消。,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,当衔铁在中间位置时，位移x（t）=0，传感器输出电压=0,只有起作用。,正半周时,因为是从中心抽头，所以u1=u，故i=i。流经RL的电流为i=i i=,i4,i3,负半周时,同理可知i=i，所以流经RL的电流为i=i i=,i1,RL,i2,i4,当衔铁在零位以上时，位移x（t）0，与同频同相。,正半周时,i3,故i i，流经RL的电流为i=i i,负半周时,故i i，流经RL的电流为i=i i,i2,i1,e1,-,+,+,e2,-,正半周负半周,故i i。流经RL的电流为i=i i,当衔铁在零位以下时，位移x（t）0，与同频反相。,e1,e2,+,-,+,-,i4,i3,同理:在负半周正半周时：,i i。流经RL的电流为i=i i 表示i0的方向也与规定的正方向相反。,i2,i1,结论：衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0。衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,二级管相敏检波在U1、U2同相位时的波形,图4-17 相敏检波前后的输出特性曲线,经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图4-17的（a）变成（b），残存电压自动消失。,
