差动变压器式线性位移传感器

1.差动变压器式电感位移传感器的结构和工作原理

差动变压器式电感位移传感器的结构和工作原理与一个变压器类似，只不过它的铁心是可以移动的，使在二次线圈上感应的电压随铁心的位移成线性增加，其典型结构如图11-22a所示，它是由一次线圈、二次线圈、衔铁和线圈骨架组成。一次线圈接上激励电流，相当于变压器的一次侧，而二次线圈由两个结构和参数完全相同的线圈反相串联而成，即接成差动型，相当于变压器的二次侧。

图11-22 差动变压器式电感位移传感器及输出特性

a）结构 b）输出特性 1、3—二次线圈 2—一次线圈 4—衔铁

差动变压器式位移传感器主要用于较大直线参数（几毫米～几千毫米）的测量。被测件推动铁心移动，体积较大，测量精度高，线性范围大，稳定性好。这种传感器的输出特性如图11-22b所示，当一次线圈输入电流时，会在二次线圈中产生两个感应电动势e₂₁和e₂₂，它们的大小与铁心的位置有关。当铁心在中心处，e₂₁=e₂₂，输出电压e₂=0铁心向左移动时，e₂₁>e₂₂，铁心向右移动时，e₂₂>e₂₁，由于两个二次线圈是差动联结，所以e₂=e₂₁-e₂₂，也就是当铁心偏离中心位置时，输出电压增加，是单个线圈输出电压的2倍。

差动变压器式传感器在使用中应注意以下问题：

1）激励电压e₁在不同的输入电压下，e₂—x特性见图11-23a。灵敏度与e₁呈线性关系。但e₁不能过大，否则会使线圈发热引起输出信号偏移。一般功率限制在1VA左右，e₁常用3～8V。

图11-23 差动变压器激励电压和激励频率与输出的关系

a）激励电压与输出的关系 b）激励频率与输出的关系

2）激励电源频率。灵敏度与频率基本上无关。但当频率高到一定程度时，会使磁铁中的磁滞和涡流损失增加，引起输出下降，如图11-23b所示。

3）零点残余电压。由于制造二次线圈不可能做到绝对对称，当差动变压器的衔铁处于中间位置时，输出并不为0，即总有一个微小的电压值，称为零点残余电压，如图11-24中的实线e₀所示。零点残余电压从零点几毫伏到数十毫，它会造成测量时衔铁运动到零点附近的不灵敏区。为了消除零点残余电压的影响，差动变压器式传感器后接电路需要采用既能反映铁心位置极性，又能补偿零点残余电压的输出电路。

2.差动变压器式传感器测量电路

差动变压器的输出量是交流信号，若直接用电压表测量，只能反映位移的大小，不能反映方向。为了达到既能消除零点残余电压，又能辨别方向的目的，常常采用下面介绍的两种测量电路：差动整流电路和相敏检测电路。

图11-24 差动变压器的零点残余电压(www.xing528.com)

图11-25 全波差动整流电路

a）电路图 b）波形图

（1）差动整流电路 其原理是将差动变压器的两个二次线圈分别整流，然后将整流后的电压或电流差值输出，现以电压输出型全波差动整流电路为例说明其工作原理。电路如图11-25a所示。从图11-25a可知，无论两个二次线圈的输出瞬时电压极性如何，流经两个电阻R的电流总是从a到b，从d到c，故整流电路的输出电压为

U₀=U_ab-U_cd （11-26）

其波形见图11-25b。当铁心在中间位置时，U₀=0，当铁心在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，从而能判断铁心的移动方向并消除零点残余电压。

（2）相敏检波电路 二极管相敏检波电路如图11-26a所示，其中U₁为差动变压器的输出电压，U₂为U₁的同频的参考电压，且U₂>U₁

若U₁=0，由于U₂的作用，在正半周时，VD₃和VD₄处于正向偏置，电流i₃和i₄以不同的方向流过电流表A，只要U₂′=U″₂，且VD₃和VD₄的性能相同，则流过电流表的电流为0，同理在负半周时，输出也为0。

若U₁≠0，分两种情况加以讨论：

图11-26 二极管相敏检波电路和波形

a）相敏检波电路 b）相敏检波电路中的电压极性 c）相敏检波波形

1）U₁和U₂同相位。在正半周时，电路中电压的极性如图11-26b所示，由于U₂>U₁，VD₃和VD₄导通，作用于VD₄两端的电压是U₂′+U″₁，而作用于VD₃两端的电压是U₂′-U″₁，所以i₄较大，而i₃较小。各电流波形如图11-26c所示。

在负半周时，VD₁，VD₂导通，i₁比i₂大，因此在U₁和U₂同相位时，通过电流表的电流量从左到右。

2）U₁和U₂反相位。若U₂在正半周，而U₁在负半周，仍为VD₃和VD₄导通，但i₃的电流比i₄大，同理若U₂在负半周而U₁在正半周，仍是U₂>U₁，故通过电流表的电流量是从右到左。

故相敏检测电路可以通过平均电流的大小和方向，来判断差动变压器的位移大小和方向。