差動變壓器試驗?zāi)K-山東大學課程中心

1、自動檢測技術(shù)多層次、模塊化實驗體系研究與實現(xiàn)振動測量系統(tǒng)設(shè)計實驗指導(dǎo)書山東大學教學實驗室軟件建設(shè)項目差動變壓器實驗?zāi)K基本教學實驗實驗?zāi)康? 掌握差動變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2 通過實驗驗證差動變壓器的基本特性。3 掌握差動變壓器零點殘壓的產(chǎn)生原因及補償方法， 通過實驗進行差動變壓器零點殘壓的補償。4 掌握差動變壓器的靜態(tài)標定方法，通過實驗進行差動變壓器的靜態(tài)標定。實驗原理差動變壓器式電感傳感器簡稱差動變壓器， 它將位移量轉(zhuǎn)換為線圈間互感的變化。 它實質(zhì)上是種變壓器， 主要由原邊繞組、副邊繞組和鐵芯組成。 它往往做成差動結(jié)構(gòu)形式，副邊兩個繞組進行“差接” 。在其原邊繞組施加激勵電壓后，由于

2、互感系數(shù)變化，副邊差接繞組的感應(yīng)電勢將相應(yīng)地發(fā)生變比。由于它結(jié)構(gòu)簡單測量精度較高、測量范圍寬，作為位移傳感器得到廣泛應(yīng)用。其中螺管式差動變壓器是差動變壓器的主要結(jié)構(gòu)形式，如圖 1 所示圖 1 螺管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖差動變壓器式電感傳感器主要由線圈、鐵芯組成。線圈由初級線圈(又稱 次線圈、原邊繞組) 和次級線圈 (又稱二次線圈、副邊繞組 )組成。線圈中插入圓柱形鐵心b。圖中所示為三段式差動變壓器， 即線圈骨架分成三段，中間為初級線圈，上下兩側(cè)為次級線圈。線圈繞制方式多為初級在內(nèi)，次級在外。差動變壓器的電氣連接方法如圖2 所示，次級線圈S1 和 S2 反極性串聯(lián)。圖 2 差動變壓器的電氣連接方

3、法差動變壓器的工作原理可以用變壓器原理解釋，所不同的是一般變壓器的磁路是閉合的、而差動變壓器的磁路是不閉合的。一般變壓器的初次級間的互感系數(shù)是常數(shù)，差動變壓器的初次級之間的互感是隨銜鐵移動而作相應(yīng)的變化。差動變壓器的工作正是建立在互感變化的基礎(chǔ)上。當初級線圈P 由交流恒壓源E p激勵后，由于電磁感應(yīng)在次級線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電勢Es1 、Es 2。二者的差值EsEs1Es2，其大小與鐵芯的軸向位移成比例，其相位則取決于鐵心的位移方向，如圖 3 所示。當鐵芯位于中間位置時，Es1Es2 ， Es0 ；當鐵芯向上位移時，Es1Es2 ；當鐵芯向下位移時，Es1Es2 ；隨鐵芯位移量的增大，Es 成比例增

4、大。鐵芯向上位移與向下位移比較，Es 相位相差 180o。圖 3差動變壓器輸出特性曲線實際的差動變壓器當鐵芯位于線圈中心位置時，輸出電壓值不為零，而是E0，稱為零點殘余電壓。 因此差動變壓器的實際輸出特性如圖要有：3(a)中虛線所示。 產(chǎn)生零點殘余電壓的原因主1) 由于兩個次級線圈的繞制在工藝上不可能完全一致， 因此它們的等效參數(shù) ( 互感、自感和損耗電阻 ) 不可能完全相等。初級線圈中銅損和鐵損的存在以及匝間寄生電容的存在使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通之間有相位差。上述因素就使兩個次級線圈的感應(yīng)電勢不僅數(shù)值不等，并且相位也不相同。這是零點殘余電壓中基波分量產(chǎn)生的原因。2） 由于磁滯損耗和鐵磁飽和的

5、影響，使得激勵電流與磁通波形不致，導(dǎo)致產(chǎn)生非正弦波磁通，從而在次級線圈感應(yīng)出非正弦波電勢，其主要是含三次諧波。這是零點殘余電壓中所含高次諧波產(chǎn)生的原因。零點殘余電壓的存在，使差動變壓器在機械零位附近的靈敏度下降，非線性誤差增大，降低了它在零位附近的分辨率。消除或減小零點殘余電壓般可采用以下方法：1) 設(shè)計和加工應(yīng)盡量保證線圈和磁路對稱，結(jié)構(gòu)上可附加磁路調(diào)節(jié)機構(gòu)。其次，應(yīng)選用高導(dǎo)磁率、低矯頑磁力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料，并將導(dǎo)磁體加以熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。在選取磁路工作點時，應(yīng)使其不工作在磁化曲線飽和區(qū)。2) 選用合適的測量電路，如相敏檢波和差動整流電路，其直流輸出不

6、僅可以鑒別鐵心位移方向，而且可以減小或消除零點殘余電壓。3) 采用補償電路，如圖 4 所示，為常采用的零點殘余電壓補償電路原理圖。消除零點殘余電壓的補償電路比較多，但歸納起來，其思路只有四種：附加串聯(lián)電阻以消除基波同相成分；附加并聯(lián)電阻以消除基波正交成分；附加并聯(lián)電容改變相移，以補償高次諧波分量；附加反饋繞組和反饋電容，以補償基波及高次諧波分量。串聯(lián)電阻的阻值很小，為 0.55，并聯(lián)電阻的阻值為數(shù)十到數(shù)百千歐；并聯(lián)電容的數(shù)值在數(shù)百PF 范圍。 實際數(shù)值通常由實驗來確定。圖 4 差動變壓器的零位補償實驗所需部件差動變壓器、 音頻振蕩器、 測微頭、 電橋、差動放大器、 移相器、 相敏檢波器、 低通

7、濾波器、直流電壓表、示波器實驗步驟測量差動變壓器的傳感特性：1將音頻振蕩器功率輸出端LV 作為激勵電源接差動變壓器初級線圈，差動變壓器次級空載。2將示波器第一通道調(diào)至500mv / 格，第二通道調(diào)至 10mv / 格。第一通道為懸浮工作狀態(tài)，接至初級線圈；第二通道接至次級線圈。3將音頻振蕩器輸出頻率調(diào)至4kHz ，幅值調(diào)至 V pp 2V 。4用手提差動變壓器銜鐵，觀察示波器第二通道是否能過零反轉(zhuǎn)，如不能過零反轉(zhuǎn)， 則說明同名端接錯了，需改變次級線圈的串接端子。5旋轉(zhuǎn)測微頭，帶動差動變壓器銜鐵運動，從示波器中讀出次級線圈輸出電壓的Vpp 值，填入下表。被測位移 mm輸出電壓 V測量過程中注意激

8、勵電壓與傳感輸出電壓的相位關(guān)系。6 仔細調(diào)節(jié)測微頭，使傳感輸出波形幅值最低，但無法調(diào)至零，這就是零點殘壓。從示波器可以看出，它與激勵電壓之間的相位差約/2，這是基頻分量。7 根據(jù)記錄結(jié)果，以傳感器輸出電壓Vpp 為縱軸、被測位移為橫軸，畫出傳感器特性圖，并指出線性測量范圍。進行差動變壓器零點殘壓補償：8 按圖 5 接線。將示波器第一通道調(diào)至500mV / 格，第二通道調(diào)至1V/ 格。9 將音頻振蕩器輸出頻率調(diào)至4kHz ，幅值調(diào)至V pp 2V ，差動放大器增益調(diào)至100 。10 仔細調(diào)節(jié)測微頭，使差動放大器輸出幅值最低，此乃放大后的零點殘壓。調(diào)整補償電橋網(wǎng)絡(luò)， 使差動放大器輸出幅值進一步降低

9、，這就是零點殘壓補償。 若補償效果不好，可在電橋交流插口另并聯(lián)一個數(shù)微法的電容。11 調(diào)整示波器第二通道靈敏度，將補償后的零點殘壓波形與激勵波形比較。注意：由于補償電路要求差動變壓器輸出端必須懸浮， 所以需要利用差動放大器將差動變壓器次級雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，以便利用示波器進行觀察。圖 5 差動變壓器零點殘壓補償進行差動變壓器靜態(tài)標定：12 按圖 6 接線，差動放大器增益適度，音頻振蕩器W 端輸出 5kHz ， Vpp 值為 2V。移相器12音頻振蕩器相敏銜鐵低通電壓表W DLV差放W A圖 6 差動變壓器靜態(tài)標定13 調(diào)節(jié)電橋 W D 、W A 電位器，調(diào)節(jié)側(cè)位投帶動銜鐵改變其在線圈中的位

10、置，使系統(tǒng)輸出為零。14 旋轉(zhuǎn)測微頭使銜鐵在線圈中上、下有一個較大的位移，用電壓表和示波器觀察系統(tǒng)輸出是否對稱，如果不對稱需反復(fù)調(diào)節(jié)銜鐵位置和電橋、移相器，做到正負輸出對稱。15 旋轉(zhuǎn)側(cè)位頭，帶動銜鐵向上 5mm ，向下 5mm 移位，每旋轉(zhuǎn) 1 周( 0.5mm ) 記錄一次電壓并填入表格。被 測 位移 mm輸 出 電壓 V注意事項： 系統(tǒng)的標定需要調(diào)節(jié)電橋、移相器、銜鐵三者位置，需發(fā)福調(diào)節(jié)才能做到系統(tǒng)輸出正負為零并正負對稱。設(shè)計性實驗基于差動變壓器的振動測量系統(tǒng)設(shè)計實驗要求設(shè)計以差動變壓器作為傳感器的振動測量系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)測量被測對象的固有振動頻率，對該系統(tǒng)被測振幅與輸出電信號之間的關(guān)系

11、進行標定，利用標定后的測量系統(tǒng)進行振幅測量并計算絕對誤差、相對誤差、引用誤差、精度等級。可用資源原實驗儀上的所有資源，如差動變壓器、音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表等；振幅及頻率測量裝置；示波器。建議實驗步驟1 移開圓盤上測微頭使圓盤處于自由可振動狀態(tài)。2 低頻振蕩器接入“激振 I”，使圓盤振動。注意保持適當?shù)恼穹? 以差動變壓器、音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表為基本部件，設(shè)計基于差動變壓器的振動測量系統(tǒng)。畫出電路圖，并按圖組成系統(tǒng)。經(jīng)指導(dǎo)教師認可后，方可通電。4 調(diào)整振動測量系統(tǒng)的零點。5維持低頻振蕩器輸出幅值不變，改變低頻振蕩器的頻率，從5HZ 逐漸增加到30HZ，記錄測量系統(tǒng)輸出的電信號幅值，利用振幅及頻率測量裝置測量振幅、振動頻率。 最高電信號幅值所對應(yīng)的振動頻率就是被測對象的固有頻率。激振頻率 Hz輸出電壓 V振幅 mm振動頻率 Hz6 在低于固有頻率的范圍內(nèi)任選一個激振頻率，并維持不變。 先是從低到高、 而后從高到低調(diào)整激振幅值， 記錄輸出電信號、并用振幅及頻率測量裝置測量振幅。如此反復(fù)測量幾個循環(huán)。激振幅值 V輸出電壓 V振幅 mm振動頻率