差动变压器式传感器：测量直线位移的利器

一、任务目标

本任务中主要学习电感式传感器的工作原理、特点、分类及应用，认识电感式传感器的外观及结构，会用差动变压器测量直线位移。

二、任务分析

练习

（1）差动变压器由一个________、两个________和插入线圈中央的圆柱形________等组成。差动变压器式传感器中两个二次绕组________串联，等效电路如图5-52所示。当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同，差动输出电动势为________。

（2）当衔铁移向二次绕组L2a，这时互感M1 大，M2 小，因而二次绕组L2a内感应电动势大于二次绕组L2b内感应电动势，这样差动输出电动势________。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就________。同样道理，当衔铁向二次绕组L2b一边移动时差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势________。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

图5-52　差动变压器的等效电路图

思考

如图5-53所示为差动变压器输出特性，Δu0 为零点残余电压，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁芯位置等因素造成的。零点残余电压的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。思考一下，可采取哪些方法减小零点残余电压呢？

图5-53　变压器输出电压与位移关系曲线图

三、任务实施

1.认识差动变压器、测微头及其实验模块

本任务所使用的差动变压器如图5-54所示，差动变压器实验模块如图5-55所示。差动变压器需通过连接线与差动变压器实验模块连接起来，注意差动变压器所使用的连接线与其他传感器的连接线外形相似，但是接口处不同，不能与其他传感器的连接线互换使用。

图5-54　差动变压器

图5-55　差动变压器实验模块

除了差动变压器和差动变压器实验模块外，本任务的实施还要用到直流稳压电源、直流电压表、导线、测微头、连接线、示波器等。

2.差动变压器测量直线位移的工作原理

差动变压器由一个初级线圈和两个次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一个次级感应电动势增加，另一个感应电动势则减小，将两个次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出，输出的变化反映了被测物体的移动量。

3.任务实施步骤

1）安装差动变压器。根据图5-56（a）所示将差动变压器安装在差动变压器实验模块上，将差动变压器引线插头插入实验模块的插座中，安装好后实物图如图5-56（b）所示。

图5-56　差动变压器安装图

（a）差动变压器实验模块；（b）差动变压器实物图

2）差动变压器测量直线位移电路接线。将音频信号由信号源的“US110°” 处输出，并用示波器检测，打开实验台电源，调节音频信号的频率和幅度，使示波器显示输出信号频率为4～5 kHz，幅度为Vp-p＝2 V。按图5-57接线，1、2 接音频信号，3、4 为差动变压器输出，接放大器输入端，实物接线图如图5-58所示。

图5-57　差动变压器实验模块接线图

图5-58　差动变压器测量直线位移实物接线图

3）差动变压器测量直线位移。用示波器观测Uo 的输出，旋动测微头，使示波器观测到的波形峰-峰值Vp-p为最小（差动变压器的衔铁位于中间位置）。这时可以左右位移，设向右移动为正位移，向左移动为负位移，从Vp-p 最小处开始旋动测微头，使其为正位移，每隔0.2 mm 从示波器读出输出电压Vp-p值，直至位移量达到1 mm，并将数据填入表5-3中，再从Vp-p最小处反向位移重复上述实验。

4）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。(www.xing528.com)

表5-3　差动变压器输出电压幅值与位移的关系

4.数据处理

根据表5-3数据绘制差动变压器的输出特性（Uo-X 曲线），如图5-59所示。

图5-59　差动变压器Uo-X 曲线

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-4。

表5-4　差动变压器位移测量评分表

四、任务拓展

本任务由于使用了示波器测量输出电压，所以能很方便地通过输出电压信号与输入信号的相位关系了解测微头的移动方向。如果差动变压器的输出信号接电压表，就不能根据输出电压判别测微头的移动方向，请将差动变压器实验模块的输出电压接入相敏检波电路，通过相敏检波之后接直流电压表显示，看看输出电压是否能反映测微头的移动距离和移动方向。

1.仪器设备及器材

差动变压器、差动变压器实验模块、移相检波低通实验模块、测微头、信号源、连接线。

2.工作原理

差动变压器的输出特性与差动式电感传感器输出特性类似，衔铁的移动方向相反，输出电压的相位互差180°，而且存在零点残余电压，消除零点残余电压并且可以辨别移动方向的方法就是使用相敏检波电路。

3.实验步骤

1）重复以上实验步骤1）～2）。

2）差动变压器测量直线位移（带相敏检波）电路接线。按照图5-60接线，将移相器相敏检波电路低通滤波器接入电路中。

图5-60　带相敏检波电路的差动变压器系统接线图

3）调节相敏检波电路交流参考信号相位。检查连线无误后，打开实验台电源，调节信号源输出频率，使二次绕组波形不失真，用手将中间铁芯移至最左端，然后调节移相器，使移相器的输入输出波形正好是同相或反相。

4）差动变压器测量直线位移（带相敏检波）电路调零。用测微头将铁芯置于线圈中部，用示波器观察差动放大器，使输出最小，调节电桥RW1、RW2 电位器使系统输出电压为零。

5）差动变压器测量直线位移（带相敏检波）。用测微头分别带动铁芯向左和向右移动1 mm，每位移0.2 mm 记录一电压值并填入表5-5中。

表5-5　相敏检波后输出电压与位移的关系

6）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-6。

表5-6　差动变压器位移测量（带相敏检波）评分表