差动变压器的特性.docx

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差动变压器的特性

课程设计（论文）

课程名称：

传感技术基础训练

题目：

差动变压器式传感器特性研究

院（系）：

理学院

专业班级：

应用物理1101

姓名：

陈延新

学号：

111050104

指导教师：

余庚华

2014年7月9日

摘要

当今时代是信息时代，在工业和科技领域信息主要是通过测量获得，在现代生产中，物质和能量在信息流指挥和控制下运动。

测控技术正成为现代生产生活中乃至高科技领域中一项必不可少的基础技术。

测控系统主要是传感器，测量放大电路和执行机构三个部分组成，而在测控系统中测量变换电路是最灵活的部分。

它的选取往往改变了整个系统性能的优劣。

所以，学习并领悟测控技术就显得十分重要了，《测试技术》是我们测控技术与仪器专业的一门专业技能课，能够运用基本测控电路知识解决日常生活中的方方面面问题也应该是本专业学生的基本素质，也鉴于这些要求，做一些测控方面的课程设计就会让我们加深对传感器技术的理解和运用，也正是因为对一些实际问题的研究，才能使我们成为真正意义上的测控技术性人才，下面就以本次才课程设计题目——差动变压器式传感器——做比较详细的分析。

关键词：

差动变压器，音频振荡器，差动变压器

目录

一、设计任务···················································1

1.1、功能与用途··············································1

1.2、设计要求················································1

2、差动变压器式传感器工作原理·································1

2.1、传感器结构··············································1

2.2、差动变压器构造原理······································2

2.3、工作原理················································3

2.4、差动变压器各部分电路····································4

2.5、实验仪器·············································7

3、实验内容与步骤············································8

四、实验注意事项··············································10

五、思考问题··················································10

六、总结·····················································11

七、参考文献·················································11

一、设计任务

1.1功能与用途

差动变压器是一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。

用于测量位移、压力、振动等非电量参量。

它既可用于静态测量，也可用于动态测量。

位移测量是差动变压器最主要的用途。

凡是能够变换成位移的物理量都可以用差动变压器测量。

注意，一般用差动变压器测量都是接触式的，在某些场合会影响被测对象的状态（例如振动等），即所谓“负载效应”，这时须选用其他形式的传感器，例如电涡流传感器等。

、可以作为不少精密量仪的主要部件，如制成高精度电感比较仪，配上相应的测量装置，能对零件进行多种精密测量：

长度、内径、外径、不平行度、不平面度、不垂直度、振摆、偏心、和椭圆度等。

、作为轴承滚动体自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球，大、小圆柱，大、小圆椎，滚针等。

用来测量各种零件的膨胀、伸长、应变、移动等。

应用各类传感器其位移测量范围可从±3μm到1000mm以上。

、振动和加速度测量：

利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可以构成测量振动的加速度计。

、压力测量：

差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒、弹簧管等）相结合，可以组成开环系统的压力传感器和闭环系统的力平衡式压力计。

1.2设计要求

掌握差动变压器式位移传感器的结构，工作原理。

分析各部分电路的作用及工作原理，特别是相敏检波电路的作用，观察分析各部分的波形，给出测试结果。

2、差动变压器式传感器工作原理

2.1传感器结构

差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。

因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。

因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

螺管形差动变压器螺管形差动变压器

传感器由初级线圈

和两个参数完全相同的次级线圈

、

组成。

线圈中心插入圆柱形铁芯p,次级线圈

、

反极性串联。

当初级线圈

加上交流电压时，如果

，则输出电压

；当铁芯向上运动时，

；当铁芯向下运动时，

。

铁芯偏离中心位置愈大，

愈大

2.2、差动变压器构造原理

差动变压器的构造原理如图1-1所示，由圆筒形线圈和与其完全分离的铁芯构成。

典型的差动变压器的圆筒线圈有三只，各是总长度的三分之一，中间是一次线圈，两侧是二次线圈。

加入圆筒线圈中的铁芯用来在线圈中链接磁力线而构成磁路。

当在中间的一次线圈加上交流电压时（即激磁），由于与两端线圈的互感就产生了电动势（这一点与普通变压器相同）。

因为二次线圈彼此极性相反地串联，两个二次线圈中的感应电动势相位相反，将其相加的结果，在输出端产生二者的电位差。

相对于线圈长度方向的中心处，两个二次线圈的感应电压大小相等方向相反，因而输出为零。

这个位置被称为差动变压器的机械零点（或简称为零点）。

当铁芯从零点相某一方向改变位置时，位移方向的二次线圈的电压就增大，另一个二次线圈的电压则减小。

产品设计保证产生的电位差与铁芯的位移成正比。

当铁芯从零点向与刚才相反的方向移动时，就会同样产生成正比的电压，但是相位与刚才的情况相差180。

相对于铁芯位移的二次线圈电压和输出电压差的关系示于图1-1。

电压差和铁芯位移成正比的范围称为直线范围，其比例性称为线性，是差动变压器最重要的一项指标。

图1-1差动变压器构造原理

2.3、工作原理

差动变压器在工作时当初级线圈加以适当频率的电压激励时,根据变压器作用原理,在两个次级线圈中就会产生感应电势,当铁芯向右或向左移动时,在两个次级线圈内所感应的电势一个增加一个减少。

如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压u等于两个次级线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压u为0，当铁芯移动时，传感器的输出电压u就随铁芯位移x成线性的增加。

如果以适当的方法测量u，就可以得到与x成比例的线性读数。

当传感器随着被测物体移动时，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感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。

最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。

差动整流电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载的场合；电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合，这就是差动变压器式传感器的工作原理。

2.4差动变压器各部分电路

（1）、差动放大电路

差动放大器是一种零点漂移十分微小的直流放大器，它常作为直流放大器的前置级，用以放大微小的直流信号或缓慢变化的交流信号。

上图是一种差动放大器电路，R1=R2=R3=R4=51K，R5=6.6K，R6=2K，R1=510K,R2=10K，通频带0~10kHz，增益1~100倍，可接成同相，反相，差动结构。

如果输入信号接在7,8两点，这是放大器处于双端输入的差动状态。

如果输入接在8与地之间，而7接地，这是差动放大器处于单端输入的反相状态。

把输入信号接在7与地之间，而8接地，差动放大器处于单端输入的同相状态。

差动放大器实现的功能是将信号放大。

（2）、移相电路

移相器一种用以调节交流电压相位的装置。

移相器一般是多相的，其结构如图所示。

它和一台被旋转的绕线式三相异步电动机相似。

通常定子绕组作为原绕组，转子绕组为副绕组。

在移相器的转子转轴上装有一套蜗轮蜗杆。

转动蜗轮蜗杆，能使移相器的转子相对于定子在一定范围内转动。

当定子上的原绕组接三相交流电源后，气隙里产生的旋转磁场将在原、副绕组中分别感应出电动势E1和E2。

其大小与各绕组的有效匝数成正比，而相位决定于原、副绕组轴线之间的相对位置。

例如原、副绕组轴线在空间位置上彼此相差α电角度,忽略它们的漏阻抗电压降，可以得到原、副边电压的关系为

　U1≈-E1

式中nsr是原、副边绕组的变比。

改变转子的位置,可以改变副边电压相对于原边电压的相位，但输出电压的大小不变。

（3）、相敏检波电路

相敏检波器使检波电路具有判别信号相位和选频的能力。

上图所示为由施密特开关电路及运放组成的相敏检波电路的原理。

图中Ui入信号端，8交流参考电压输入端，Uo信号输出端，5直流参考电压输入端。

当5,8端输入控制电压信号时，通过差动电压的作用使VD和J处于开或关的状态，从而把Ui端输入的正弦信号转换成全波整流信号。

放大器及VD组成整流电路，将输入的正弦波转换成方波，使相敏检波器中的电子开关能正常工作。

当信号输入接相敏检波器输入端Ui，直流稳压电源接相敏检波器5端，改变5端参考电压的极性，当参考电压为正时，输入与输出同相，当参考电压为负的时，输入与输出反相。

相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。

包络检波有两个问题：

一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。

第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。

对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。

为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。

相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。

以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。

对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。

如果输入信号us为与参考信号uc（或Uc）同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos∮，即输出信号随相位差∮的余弦而变化。

由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。

（4）、低通滤波电路

从0到转折频率f之间称为通频带幅频特性平直。

低通滤波器可以使信号中低于频率f的成分几乎不受衰减的通过，而高于频率f的成分受到极大的衰减。

如图2.11所示，R2，R3，W1，W2，C1，C2，C3组成的虑波器。

在低频段，由于C1，C2的容抗非常大，输入信号经过R2，R3，W1直接传到放大器，电压传输系数同样约等于1；在高频段，由于C1，C2容抗非常大小，输入信号经过C1，C2传到放大器，电压传输系数同样约等于1；只有当信号频率f等于它的特征频率时，阻抗非常大，电压传输系数约等于0。

R1,R5组成的比例放大器，通带电压增益A0等于比例放大器的电压增益AVF，即A0=AVF=1+R5/R1=2。

R6，C4组成RC滤波器，其传递函数为H（w）=1/（1+j2πfτ），式中f=1/2πR6C4为转折频率，在f<1/2πR6C4时，信号不衰减通过。

称为一阶低通滤波器。

顾名思义，所谓滤波器就是能够过滤波动信号的器具，在电子线路中，滤波器的作用是从具有各种不同频率成分的信号中，取出具有特定频率成分的信号。

理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率fc之间的所有信号毫无损失的通过，而高于截止频率fc的所有信号毫无遗留的丧失殆尽，低通滤波器简称LPF。

在本实验装置中，为了过滤掉高次波的影响，采用低通滤波器进行滤波。

2.5实验仪器

音频振荡器、差动变压器、示波器、需用器件与单元传感器实验箱、传感器调理电路挂件、测微头、信号源。

三、实验内容与步骤

1、相敏检波器电路调试：

将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将±2V～±10V可调电源调节到±2V档，再按示意图接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量。

提示：

正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置，触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO；垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V～5V范围内选择。

当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居中后再去测量波形。

）。

调节相敏检波器的电位器钮使示波器显示幅值相等、相位相反的两个波形。

到此，相敏检波器电路已调试完毕，以后不要触碰这个电位器钮。

关闭电源。

2、调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度值与轴套上的11mm刻度值对准。

按示意图安装、接线。

将音频振荡器幅度调节到最小（幅度旋钮逆时针轻转到底）；电压表的量程切换开关切到20V档。

检查接线无误后合上主机箱电源开关。

3、调节音频振荡器频率f=5KHz、幅值Vp-p=2V（用示波器监测）。

4、松开测微头安装孔上的紧固螺钉。

顺着差动变压器衔铁的位移方向移动测微头的安装套（左、右方向都可以），使差动变压器衔铁明显偏离L1初级线圈的中点位置，再调节移相器的移相电位器使相敏检波器输出为全波整流波形（示波器CH2的灵敏度VOLTS/DIV在1V～50mV范围内选择监测）。

再慢悠悠仔细移动测微头的安装套，使相敏检波器输出波形幅值尽量为最小（尽量使衔铁处在L1初级线圈的中点位置）并拧紧测微头安装孔的紧固螺钉。

5、调节差动变压器实验模板中的RW1、RW2（二者配合交替调节）使相敏检波器输出波形趋于水平线（可相应调节示波器量程档观察）并且电压表显示趋于0V。

6、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小，这时可以左右移动旋动测微头，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每1mm从交流毫伏表上读出输出电压Vp-p值，填入下表6-1，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

实验数据记录表：

X（mm）

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

-8

-9

-10

V（v）

-0.001

-0.004

-0.011

-0.024

-0.041

-0.062

-0.085

-0.111

-0.149

-0.192

-0.225

X（mm）

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

V（v）

0.001

-0.001

-0.005

-0.011

-0.021

-0.034

-0.051

-0.078

-0.102

-0.139

-0.176

7、根据上表数据作出实验曲线并截取线性比较好的线段计算灵敏度S=△V／△X与测量范围。

数据处理：

根据上图，左侧取点（-3，-0.024）、（-4，-0.041）、（-5，-0.062）、（-6，-0.085）、（-7，-0.011）进行线性拟合

右侧取点（4，-0.021）、（5，-0.034）、（6，-0.051）进行线性拟合得下图：

根据线性拟合图像，左侧取点（-3，-0.024）和（-7，-0.111）求得灵敏度

S=21.75v/m，测量范围是（-7，3）

右侧取点（4，-0.021）、（6，-0.051），求得灵敏度S=15v/m，测量范围是

（4，6）

8．分析产生非线性误差的原因。

答：

实验中，残余电动势已通过电路中串并联电阻和电容进行了消除，但由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素，存在零点残余电动势，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来了误差。

9、差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法消除：

（1）提高框架和线圈的对称性，特别是两组次级线圈的对称。

（2）采用适当的测量线路，一般可采用在放大电路前加相敏整流器的方法，使其特性曲线发生变化，这样不仅使输出电压能反映铁芯移动的方向，而且使零点残余电压可以小到忽略不计的程度。

（3）采用适当的补偿电路，使零点残余电压为最小接近于零值。

四、实验注意事项

在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vp-p值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。

五、思考题

1．用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？

差动变压器测量频率的上限受什么影响？

答：

可以。

与传感器的自感L的有关。

2．试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

答：

差动变压器的工作原理类似一般电源变压器的作用原理，差动变压器在使用时采用了两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，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，由于两个二次绕组反向串接，所以差动变压器输出电动势为零。

六、实验总结

经过近几天的奋斗，传感器课程设计终于完成，虽然跟自己开始的想法差了不少，总体上还过得去，这个过程中解接触了一些书本上所接触不到的东西，开阔了我们的视野，同时大大增强了我们的动手能力以及实践能力。

通过对电路的分析，我深深体会到了理论与实际的差别。

虽然电路原理相同，大体电路组成差别不大，但实际电路更趋复杂，设计更严谨。

我们课程设计开始时不知道该如何着手，看着密密麻麻的电路板原件发呆，在余老师的耐心引导下，我们一步一个脚印，渐渐的找到了自己的位置，我们分工，分批合作，组装电路，检查修改，结合实际电路原理图拟合，查数据，记录，然后连线分别记录数据，最后分析讨论，得出结论。

开始时进展较为缓慢，随着我们设计思路的逐步明确，设计进行的非常顺利。

通过此次课程设计，我深化了对传感器这门学科的认识，书本上我接触了各种各样的电路，如移相电路，相敏电路，差动电路，振荡电路等，都只停留在原理以及作用之上，知其然而不知其所以然。

通过对各部分电路的模拟与仿真，结合示波器的观察，加深了对它们的认识，从根本上了解了各种电路。

此次课程设计我收获了很多，充实了自己，增强了我的动手能力，更深化了对传感器的认识。

通过小组合作我也深深体会到了合作的重要性。

7、参考文献

[1]吴建平，传感器原理及应用.机械工业出版社.2005.6:

21-23.

[2]黄贤武，郑筱霞.传感器及其应用、高等教育出版社.2004.3.2004.3:

22-28

[3]贾伯年，俞朴、宋爱国.传感器技术.东南大学出版社,2007.2