传感器应用第4章.pptVIP

4.2.1 变隙式差动变压器 1. 工作原理 假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图4-11（a）所示。 变隙式差动变压器 变隙式差动变压器 图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反相串联。 当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有： δa0=δb0=δ0 则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即： e2a=e2b。 由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压： Uo=e2a-e2b=0 . . 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使得 δa≠δb 互感： Ma≠Mb 两次级绕组的互感电势： e2a≠e2b 输出电压： Uo=e2a-e2b≠0 即：差动变压器有电压输出， 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。 图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图  （c）、 （d） 螺线管式差动变压器; 图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （e）、 （f） 变面积式差动变压器 2. 输出特性 在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，图4-11（a）的等效电路可用图4-12表示。 图中r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a , r2b与L2b，分别为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直流电阻与电感。 图4-12 变隙式差动变压器等效电路 根据电磁感应定律和磁路欧姆定律，当r1aωL1a，r1bωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，对图4-12所示的等效电路进行分析，可得变隙式差动变压器输出电压Uo的表达式，即： . (4-27) (4-28) 由上式可知，当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0， 则Uo=0。但是如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正）时，则有： δa=δ0-Δδ δb=δ0+Δδ 代入上式可得 ： . 上式即为闭磁路变隙式差动变压器的输出特性。 由式（4-28）可得变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为： 结论：闭磁路变隙式差动变压器输出电压Uo与衔铁位移量Δδ/δ0成正比。 (4-28)负号的意义是： 　　当衔铁向上移动时，Δδ/δ0定义为正，变压器输出电压Uo与输入电压Ui反相（相位差180°）。 　　当衔铁向下移动时，Δδ/δ0则为-|Δδ/δ0|，表明Uo与Ui同相。 图4-13所示为变隙式差动变压器输出电压Uo与位移Δδ的关系曲线。 . . . . . . . . (4-29) 图4-13 变隙式差动变压器输出特性 图4-13所示为变隙式差动变压器输出电压Uo与位移Δδ的关系曲线。 综合以上分析， 可得到如下结论： ① 首先，供电电源Ui要稳定，以便使传感器具有稳定的输出特性；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。  ② 增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。然而， W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关，不论从灵敏度考虑，还是从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的δ0愈小愈好。为兼顾测量范围