第4章电感式传感器2.pptx

螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有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。二节式、三节式、四节式和五节式等形式。图图4-10 4-10 差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式1 1 初级线圈；初级线圈；2 2 次级线圈；次级线圈；3 3 衔铁衔铁(a a)二节式二节式 (b)(b)三节式三节式 (c)(c)四节式四节式 (d)(d)五节式五节式31121 2112212123 三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵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敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。感器线性度。差动变压器的等效电路差动变压器的等效电路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP 差动变压器工作在理想情况下（差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：）时的等效电路：当次级开路时，初级绕组的交流电流为：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：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其有效值为 铁芯处于中间位置时，铁芯处于中间位置时，MM1 1=M M2 2=MM，U U0 0=0=0 铁芯上升时，铁芯上升时，MM1 1=M M+MM，MM2 2=M M-MM 铁芯下降时，铁芯下降时，MM1 1=M M-MM，MM2 2=M M+MM与与U U1 1同极性同极性与与U U2 2同极性同极性 e21e22差动变压器输出差动变压器输出电势电势与衔铁与衔铁位移位移x x的关系。其的关系。其中中x x表示衔铁偏离表示衔铁偏离中心位置的距离。中心位置的距离。0 x图图4-124-12差动变压器输出特性差动变压器输出特性1 1、激励电压幅值与频率的影响、激励电压幅值与频率的影响激激励励电电源源电电压压幅幅值值的的波波动动，会会使使线线圈圈激激励励磁磁场场的的磁磁通通发发生生变变化化，直直接接影影响响输输出出电电势势。而而频频率率的的波波动动，只只要要适适当当地地选选择择频频率率，其其影影响不大。响不大。4.2.2 4.2.2 差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周周围围环环境境温温度度的的变变化化，引引起起线线圈圈及及导导磁磁体体磁磁导导率率的的变变化化，从从而而使使线线圈圈磁磁场场发发生生变变化化产产生生温温度度漂漂移移。当当线线圈圈品品质质因因数数较较低低时时，影影响响更更为为严严重重，因因此此，采采用用恒恒流流源源激激励励比比恒恒压压源源激激励励有有利利。适适当当提提高高线线圈圈品品质质因因数数并并采采用用差动电桥可以减少温度的影响。差动电桥可以减少温度的影响。3 3、零点残余电压、零点残余电压 0 x 当当差差动动变变压压器器的的衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置时时，理理想想条条件件下下其其输输出出电电压压为为零零。但但实实际际上上，当当使使用用桥桥式式电电路路时时，在在零零点点仍仍有有一一个个微微小小的的电电压压值值(从从零零点点几几mVmV到数十到数十mV)mV)存在，称为存在，称为零点残余电压零点残余电压。1 1 基波正交分量基波正交分量(a)(a)(a)(a)残余电压的波形残余电压的波形残余电压的波形残余电压的波形 (b)(b)波形分析波形分析13245UZtUiUZUt图中图中图中图中i i i i为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压，U UU UZ Z Z Z包含基波包含基波包含基波包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。小的电磁干扰等。小的电磁干扰等。小的电磁干扰等。2 2 基波同相分量基波同相分量 3 3 二次谐波二次谐波4 4 三次谐波三次谐波 5 5 电磁干扰电磁干扰零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因：基波分量基波分量 由由于于差差动动变变压压器器两两个个次次级级绕绕组组不不可可能能完完全全一一致致，因因此此它它的的等等效效电电路路参参数数（互互感感MM、自自感感L L及及损损耗耗电电阻阻R R）不不可可能能相相同同，从从而而使使两两个个次次级级绕绕组组的的感感应应电电动动势势数数值值不不等等。又又因因初初级级线线圈圈中中铜铜损损电电阻阻及及导导磁磁材材料料的的铁铁损损和和材材质质的的不不均均匀匀，线线圈圈匝匝间间电电容容的的存存在在等等因因素素，使使激激励电流与所产生的磁通相位不同。励电流与所产生的磁通相位不同。高次谐波高次谐波 高高次次谐谐波波分分量量主主要要由由导导磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性引引起起。由由于于磁磁滞滞损损耗耗和和铁铁磁磁饱饱和和的的影影响响，使使得得激激励励电电流流与与磁磁通通波波形形不不一一致致产产生生了了非非正正弦弦(主主要要是是三三次次谐谐波波)磁磁通通，从从而而在在次次级级绕绕组组感感应应出出非非正正弦弦电电势势。另另外外，激激励励电电流流波波形形失失真真，因因其其内内含含高高次次谐谐波波分分量量，这这样样也也将将导导致致零零点点残残余余电压中有高次谐波成分。电压中有高次谐波成分。1 1从设计和工艺上保证结构对称性从设计和工艺上保证结构对称性 为为保保证证线线圈圈和和磁磁路路的的对对称称性性，首首先先，要要求求提提高高加加工工精精度度，线线圈圈选选配配成成对对，采采用用磁磁路路可可调调节节结结构构。其其次次，应应选选高高磁磁导导率率、低低矫矫顽顽力力、低低剩剩磁磁感感应应的的导导磁磁材材料料。并并应应经经过过热热处处理理，消消除除残残余余应应力力，以以提提高高磁磁性性能能的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性。由由高高次次谐谐波波产产生生的的因因素素可可知知，磁磁路路工工作作点点应应选选在在磁化曲线的线性段。磁化曲线的线性段。消除零点残余电压方法：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，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衔铁反行程时的特性曲线由特性曲线由1 1变到变到2 2，从而消除从而消除了零点残余电压。了零点残余电压。U0+x-x210相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性 2 2选用合适的测量线路选用合适的测量线路 3 3采用补偿线路采用补偿线路CR(a)在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数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。使零点残存电压减小。在次级绕组侧并联电容。在次级绕组侧并联电容。在次级绕组侧并联电容。在次级绕组侧并联电容。由于两个由于两个由于两个由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联次级线圈感应电压相位不同，并联次级线圈感应电压相位不同，并联次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻电容可改变绕组的相位，并联电阻电容可改变绕组的相位，并联电阻电容可改变绕组的相位，并联电阻R R是为了利用是为了利用是为了利用是为了利用R R的分流作用，使流的分流作用，使流的分流作用，使流的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从入传感器线圈的电流发生变化，从入传感器线圈的电流发生变化，从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，减小高而改变磁化曲线的工作点，减小高而改变磁化曲线的工作点，减小高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。次谐波所产生的残余电压。次谐波所产生的残余电压。次谐波所产生的残余电压。(b)CR串联电阻串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。可以调整次级线圈的电阻分量。CR(a)R2WR1C(c)在次级绕组侧并联电位器在次级绕组侧并联电位器W用于电气调零，用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。改变两个次级线圈输出电压的相位。电容电容C可防可防止调整电位器时使零点移动。止调整电位器时使零点移动。接入接入补偿线圈补偿线圈L以避免负载不是纯电阻而引以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。起较大的零点残存电压。LW(d)4.2.3 4.2.3 差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路1.1.差动整流电路差动整流电路图图图图4-14 4-14 4-14 4-14 全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路R2图4-15 全波差动整流电路电压波形R1abhgcfde+4.2.3 4.2.3 差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路1.1.差动整流电路差动整流电路图图图图4-14 4-14 4-14 4-14 全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路R2图4-15 全波差动整流电路电压波形R1abh gcfde 无论次级线圈的输出无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压流电路的输出电压U U0 0始始终等于终等于R R1 1、R R2 2两个电阻两个电阻上的电压差。上的电压差。+铁铁芯芯在在零零位位以以上上铁铁芯芯在在零零位位ttUdcUghtU0Udc图4-15 全波差动整流电路电压波形tttUghU0tUdctUghtU0铁铁铁铁芯芯芯芯在在在在零零零零位位位位以以以以下下下下全波差动整流电全波差动整流电路电压波形路电压波形结论：结论：铁芯在零位以铁芯在零位以上或零位以下上或零位以下时，输出电压时，输出电压的极性相反，的极性相反，零点残存电压零点残存电压自动抵消自动抵消。容容易易做做到到输输出出平平衡衡，便便于于阻阻抗抗匹匹配配。图图中中比比较较电电压压和和同同频频，经经过过移移相相器器使使和和保持同相或反相，且满足保持同相或反相，且满足 。2 2 二级管相敏检波电路二级管相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+当当衔衔铁铁在在中中间间位位置置时时，位位移移x（t）=0，传传感器输出电压感器输出电压=0,=0,只有只有起作用。起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+正半周时正半周时 因为是从中心抽头，所以因为是从中心抽头，所以u1=u，故，故i=i。流。流经经RL的电流为的电流为i=i i=u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+-i4i3负半周时负半周时 同理可知同理可知i=i，所以流经，所以流经RL的电流为的电流为i=i i=i1RLi2u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2-+-+i4当衔铁在当衔铁在零位以上零位以上时，位移时，位移x（t）0，与与同频同相同频同相。正半周时正半周时 i3故故i i，流经，流经RL的电流为的电流为i=i i u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+负半周时负半周时 故故i i，流经流经RL的电流为的电流为i=i i i2i1e1-+e2-正半周正半周负半周负半周故故i i。流经。流经RL的电流为的电流为i=i i 当衔铁在当衔铁在零位以下零位以下时，位移时，位移x（t）0，与与同频反相同频反相。e1e2+-+-D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-i4i3同理同理:在在负半周负半周正半周时：正半周时：i i。流经。流经RL的电流为的电流为i=i i 表示表示i0的方向也与规定的正方向相反。的方向也与规定的正方向相反。D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-+-+-e1e2i2i1结论：结论：衔衔铁铁在在中中间间位位置置时时，无无论论参参考考电电压压是是正正半半周周还是负半周，在负载还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为上的输出电压始终为0。衔衔铁铁在在零零位位以以上上移移动动时时，无无论论参参考考电电压压是是正正半半周周还还是是负负半半周周，在在负负载载RL上上得得到到的的输输出出电电压压始始终为正。终为正。衔衔铁铁在在零零位位以以下下移移动动时时，无无论论参参考考电电压压是是正正半半周周还还是是负负半半周周，在在负负载载RL上上得得到到的的输输出出电电压压始始终为负。终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。t tU U1 10 0U U2 2t t0 0t ti i1 10 0t ti i2 20 0t ti i4 40 0t ti i0 00 0二级管相敏二级管相敏检波在检波在U1、U2同相位时同相位时的波形的波形t ti i3 30 0图图图图4-17 4-17 4-17 4-17 相敏检波前后的输出特性曲线相敏检波前后的输出特性曲线相敏检波前后的输出特性曲线相敏检波前后的输出特性曲线x x0 0 0 0U UU UL L L L（a a a a）经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，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，特性曲线由图检波以后，特性曲线由图4-17的（的（a）变成（）变成（b），），残存电压自动消失残存电压自动消失。x x0 0 0 0U UU UL L L L（b b b b）