32差動式傳感器ppt課件

1、3.2 3.2 差動變壓器差動變壓器 差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。 1.變隙式 2.變面積式 3.螺線管式 (a)、(b) 變隙式差動變壓器；(c)、(d) 螺線管式差動變壓器；(e)、(f) 變面積式差動變壓器 3.2.1 3.2.1 變隙式差動變壓器變隙式差動變壓器 當一

2、次側(cè)線圈接入激勵電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出互感變化時，輸出電壓將作相應(yīng)變化 兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反向串聯(lián)。當沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙為a0 =b0=0兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反向串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓 電壓的大小反映了被測位移的大小，通過用相敏檢波等電路處理，使最終輸出電壓的極性能反映位移的方向。0222baeeU0222baeeU1. 1. 工作原理工作原理. .輸出特性

3、輸出特性 .112.2UWWUabab如果被測體帶動銜鐵移動 01122UWWU01122UWWUK圖3.2.3 變隙式差動變壓器輸出特性 理想特性； 實際特性（供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當提高可以提高靈敏度K值;（增加W2/W1的比值和減少0都能使靈敏度K值提高;（以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容條件下得到的;（以上結(jié)果是在假定工藝上嚴格對稱前提下得到的，而實際上很難做到這一點;（上述推導(dǎo)是在變壓器副邊開路的情況下得到的。.螺線管式差動變壓器 1. 工作原理2. 基本特性 3. 主要性能4. 零點殘余電壓及消除方法5. 轉(zhuǎn)換電路 螺管型差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式

4、、三節(jié)式、螺管型差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。四節(jié)式和五節(jié)式等形式。圖圖3-10 3-10 差動變壓器線圈各種排列形式差動變壓器線圈各種排列形式1 1 初級線圈；初級線圈；2 2 次級線圈；次級線圈；3 3 銜鐵銜鐵31121 2112212123 三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。. 工作原理工作原理 在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動變壓器的等效電路如圖。初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為1111Lj

5、ReI激勵電壓的角頻率； e1激勵電壓的復(fù)數(shù)值；根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達式為 112IMjEa122IMjEb11121222LjrUMMjeeUBA圖3.2.6 差動變壓器輸出電壓特性曲線 . 主要性能主要性能（1靈敏度（2線性度靈敏度與線性度靈敏度與線性度 差動變壓器的靈敏度一般可達差動變壓器的靈敏度一般可達0.55V/mm，行程越小，靈敏度越高。，行程越小，靈敏度越高。 為了提高靈敏度，勵磁電壓在為了提高靈敏度，勵磁電壓在10V左右左右為宜。電源頻率以為宜。電源頻率以400Hz10kHz為好。為好。 差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的

6、的1/10左右。左右。 例：欲測量例：欲測量20mm2mm軸的直徑誤軸的直徑誤差，應(yīng)選擇線圈骨架長度為多少的差差，應(yīng)選擇線圈骨架長度為多少的差動變壓器或電感傳感器為宜動變壓器或電感傳感器為宜 ？ 當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值的電壓值(從零點幾從零點幾mV到數(shù)十到數(shù)十mV)存在，稱為零點殘余電壓。存在，稱為零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。零點殘余電壓的存如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特

7、性。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。 0e2x-xe204. 零點殘余電壓及消除方法零點殘余電壓及消除方法零點殘余電壓產(chǎn)生原因：零點殘余電壓產(chǎn)生原因：基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)互感致，因此它的等效電路參數(shù)互感M、自感、自感L及損耗電阻及損耗電阻R不可能相同，從而使兩個次級繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值不可能相同，從而使兩個次級繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值

8、不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵磁通，從而在次級繞組感

9、應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點殘余電壓中有高次諧波成分。零點殘余電壓中有高次諧波成分。 4. 零點殘余電壓及消除方法零點殘余電壓及消除方法消除零點殘余電壓方法：消除零點殘余電壓方法：1從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消

10、除殘余應(yīng)頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 2選用合適的測量線路選用合適的測量線路 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由程時的特性曲線由1變到變到2，從而消

11、除，從而消除了零點殘余電壓。了零點殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性補償零點殘余電壓的電路補償零點殘余電壓的電路 補償零點殘余電壓的電路補償零點殘余電壓的電路 CR(a)1U0UR2WR1C(c)1U0ULW(d)1U0U補償零點殘余電壓的電路補償零點殘余電壓的電路 5. 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 能辨別移動方向 消除零點殘余電壓 （1差動整流電路 （2相敏檢波電路 （3直流差動變壓器電路（1差動整流電路差動整流電路(a)、(b)適用于高阻抗負載(c)、(d)適用于低阻抗負載電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓。 全波整流電路和波形圖銜鐵在零位以下銜鐵在零位以上銜鐵在零位(a)e1RRcabhg

12、fdeU SCe abttteabttte abte cdtU SCte cdUSCUSCe cd(b)容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中比較電壓和同頻，經(jīng)過移相器使容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中比較電壓和同頻，經(jīng)過移相器使和保持同相或反相，且滿足和保持同相或反相，且滿足 。(2)(2)二級管相敏檢波電路二級管相敏檢波電路（2相敏檢波電路相敏檢波電路（a相敏檢波電路原理圖；（bus、u2為正半周時等效電路；(c) us、u2為負半周時等效電路 (a被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激勵電壓波形；(c) 差動變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形（3

13、直流差動變壓器電路直流差動變壓器電路3.2.3 差動變壓器應(yīng)用差動變壓器應(yīng)用 1. 力和力矩的測量2. 微小位移的測量3. 壓力測量4. 加速度傳感器1. 力和力矩的測量力和力矩的測量1線圈2銜鐵3彈性元件2. 微小位移的測量微小位移的測量1測端2防塵罩3軸套4圓片簧5測桿6磁筒7磁芯8線圈9彈簧10導(dǎo)線3. 壓力測量壓力測量V振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器相敏檢波電路220V4. 加速度傳感器加速度傳感器 用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅為，才能得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅為(0.15)mm，振動頻率為，振動頻率為(0150)Hz。測量振動與加速的電感傳感器結(jié)構(gòu)圖。銜鐵受振動和加速度的作用。測量振動與加速的電感傳感器結(jié)構(gòu)圖。銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反