互感传感器的特性优化：理解互感传感器的工作原理和应用

1.灵敏度

互感传感器的灵敏度是指在单位激磁电压下，铁芯移动单位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。提高灵敏度的途径有增大差动变压器的尺寸，提高线圈的Q值；采用导磁性能好的铁芯材料，减小涡流损耗和铁芯损耗等等。由图3.2-2可以看出，互感传感器的激励电源是独立于测量电路之外的。实际应用中，在不使初级线圈过热的情况下，提高激磁电压的方法来提高灵敏度，就要比自感传感器来得方便，并且对测量电路危害小。提高励磁频率也是提高灵敏度的有效方法，但过高的频率会使损耗增大，线圈变热，影响测量的精度。所以对励磁频率为500Hz以上的互感传感器，一般使用铁氧体或坡莫合金铁芯较多；低频激励时，采用工业纯铁为铁芯材料。

2.频率特性和相角特性

互感传感器的激磁频率范围一般是在10Hz～50kHz之间，激励频率至少要大于衔铁运动频率的十倍。频率过低，灵敏度显著下降，温度误差和频率误差增加，要进行高精度和高灵敏度的测量比较困难。频率太高，铁损和耦合电容的影响增加。具体应用时频率可在400Hz～5kHz之间选择。

图3.2-2　差动变压器的等效电路图

互感传感器的次级电压相对于初级电压的相角通常超前几度到几十度。超前相角大小取决于差动变压器的类型、激励频率、负载和其他因素。小型、低频的差动变压器的超前角大；大型、高频的差动变压器超前角小。

由图3.2-1（a）可知，差动变压器初级线圈是感性的，初级线圈中的电流滞后于激磁电压一个α角。如果忽略铁损并考虑磁通与初级线圈同相，则次级感应电动势比超前几十度相角。在输出负载上提取，它又滞后几度。的相角大小与频率和负载电阻有关。当衔铁向下移动通过零点时，由于二次侧线圈反极性串联，电压相位将发生180°变化，其理想特性如图3.2-3实线所示，虚线为实际特性。要消除二次侧线圈的相移，可以采取电路补偿措施。

3.线性范围

理想互感传感器的输出电压与铁芯的位移成线性关系。实际上，由于铁芯的直径、长度、材质以及骨架的尺寸、线圈的均匀程度都对线性关系有直接的影响，所以一般线性线圈是线圈骨架长度的1/10～1/4。在实际应用中，应让被测物理量在传感器的线性范围内变化，超出这一范围灵敏度减小，测量精度变差。

4.温度特性

温度可以使机械部分产生热胀冷缩，对测量精度的影响可达数微米到几十微米左右。温度可以使线圈的电阻值发生变化，进而影响线圈中的电流，也就引起感应电动势变化。温度还会影响铁芯的导磁特性、铁损、涡流损耗等。通常互感传感器的使用温度在80℃以下，特别制造的高温型可达150℃。

5.吸引力(www.xing528.com)

差动变压器的铁芯所受磁性吸引力的大小为

式中 L1——初级线圈的电感；

　　 I1——初级线圈中的电流；

　　 x——铁芯位置。

当铁芯移动时，如果初级电感L1不变，则就没有吸引力。一般铁芯位移x增加，L1就减小，dL1/dx为负值。这就意味着当铁芯离开零位后，受到把其拉回零位的吸引力的作用。由于F与I1是平方关系，所以减小激磁电压可以降低初级线圈中的电流I1，就有效地减小了吸引力，但这种方法是以降低灵敏性为代价的，可以适当提高激磁频率来补偿灵敏度的下降。

6.零点残余电压及其消除方法

差动变压器的两组次级线圈是反向串联的，因此当铁芯处在中央位置时，输出信号应为零，如图3.2-3中实线所示。但是，在实际情况中，输出电压并不为零，而是有一个很小的电压值u0，一般被称为“零点残余电压”，实际特性如虚线所示。产生残余电压的主要原因有：次级线圈的结构不对称，激磁电压中的高次谐波及铁磁材料的磁滞等。通常是采用相敏整流电路使图3.2-4中的特性曲线1变成曲线2，这样不仅使输出能反映铁芯的移动方向，而且使零点残余电压可以小到忽略不计的程度。

图3.2-3　差动变压器图输出特性

图3.2-4　采用相敏整流后的特性曲线