流电路图和工作原理,相敏检波电路图...)

关键词语：差动变压器式传感器工作原理，螺线管式差动变压器结构图，差动变压器等效电路图，差动变压器基本特性，差动变压器式传感器测量电路，差动整流工作原理，差动整流电路，相敏检波电路图，差动变压器式加速度传感器原理图，差动变压式传感器的应用差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。

这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。

差动变压器结构形式较多, 有变隙式、变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。

非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1～100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。

差动变压器结构形式较多, 有变隙式、变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。

非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1～100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。

一、工作原理螺线管式差动变压器结构如图 4 -10 所示, 它由初级线圈#, 两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。

螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型, 如图 4 - 11 所示。

一节式灵敏度高, 三节式零点残余电压较小, 通常采用的是二节式和三节式两类。

图4-11 螺线管式差动变压器结构图差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联, 并且在忽略铁损、 导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路如图 4 - 12所示。

当初级绕组w1加以激励电压1⋅U 时, 根据变压器的工作原理, 在两个次级绕组w2a 和w2b 中便会产生感应电势a E 2⋅和b E 2⋅。

如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时, 必然会使两互感系数M1=M2。

根据电磁感应原理, 将有⋅⋅=b a E E 22。

由于变压器两次级绕组反向串联, 因而0222=-=⋅⋅⋅b a E E U , 即差动变压器输出电压为零。

图4-12 差动变压器等压电路活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, w2a 中磁通将大于w2b, 使M1>M2, 因而a E 2⋅增加, 而b E 2⋅减小。

反之, b E 2⋅增加, a E 2⋅减小。

因为⋅⋅⋅-=b a E E U 222, 所以当a E 2⋅、b E 2⋅随着衔铁位移x 变化时, 2⋅U 也必将随x 变化。

图 4 - 13 给出了变压器输出电压2⋅U 与活动衔铁位移x 的关系曲线。

实际上, 当衔铁位于中心位置时, 差动变压器输出电压并不等于零, 我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作x U ⋅, 它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。

零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。

零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。

基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵消。

高次谐波中起主要作用的是三次谐波， 产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。

零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小⋅X U , 否则将会影响传感器的测量结果。

二、 基本特性差动变压器等效电路如图 4 - 12 所示。

当次级开路时有1111jwL r U I +=⋅⋅ (4 - 23) 式中: ω——激励电压 1⋅U 的角频率;——初级线圈激励电压;——初级线圈激励电流;r1、 L1——初级线圈直流电阻和电感。

根据电磁感应定律, 次级绕组中感应电势的表达式分别为:由于次级两绕组反向串联, 且考虑到次级开路, 则由以上关系可得:1121222)(jwL r U M M jw E E U b a +--=-=⋅⋅⋅⋅ (4 - 26) 输出电压的有效值为2121211212])([)(jwL r U M M w U +-=⋅⋅ (4 - 27)下面分三种情况进行分析。

(1) 活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M故2⋅U =0(2) 活动衔铁向上移动时 M1=M+ΔM M2=M-ΔM故2⋅U =2ωΔM 1⋅U /［r21+（ωL1）2］1/2, 与a E 2⋅同极性。

(3) 活动衔铁向下移动时M1=M-ΔMM2=M+ΔM故 , 21212112])(/[2wL r U M w U +∆-=⋅⋅与b E 2⋅同极性。

三、 差动变压器式传感器测量电路差动变压器输出的是交流电压, 若用交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 而不能反映移动方向。

另外, 其测量值中将包含零点残余电压。

为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的, 实际测量时, 常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

1. 差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出, 图 4 - 14 给出了几种典型电路形式。

图中（a ）、（c ）适用于交流负载阻抗, （b ）、（d ）适用于低负载阻抗, 电阻R 0用于调整零点残余电压。

下面结合图 4 - 14（c ）, 分析差动整流工作原理。

图4-14 差动整流电路从图4 - 14（c）电路结构可知, 不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何, 流经电容C1的电流方向总是从 2 到4, 流经电容C2的电流方向从6到8, 故整流电路的输出电压为U2=U24-U68(4 - 28)当衔铁在零位时, 因为U24=U68 , 所以U2=0; 当衔铁在零位以上时, 因为U24>U68, 则U2>0; 而当衔铁在零位以下时, 则有U24<U68, 则U2<0 。

差动整流电路具有结构简单#, 不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响#, 分布电容影响小和便于远距离传输等优点, 因而获得广泛应用。

2. 相敏检波电路电路如图4 - 15 所示。

VD1、VD2、VD3、VD4 为四个性能相同的二极管, 以同一方向串联成一个闭合回路, 形成环形电桥。

输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线。

参考信号u0通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线。

输出信号uL从变压器Ｔ1与Ｔ2的中心抽头引出。

平衡电阻R起限流作用, 避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。

RL为负载电阻。

u0的幅值要远大于输入信号u2的幅值, 以便有效控制四个二极管的导通状态, 且u0和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，保证二者同频、同相（或反相）。

图 4 – 15 相敏检波电路由图 4 - 16（a ）、（c ）、 (d)可知, 当位移Δx > 0时, u2与u0同频同相, 当位移Δx< 0时, u2与u0 同频反相。

Δx> 0时, u2与u0为同频同相, 当u2与u0均为正半周时, 见图 4 - 15（a ）, 环形电桥中二极管VD1、ＶD4截止, VD2、VD3导通, 则可得图 4 - 15（b ）的等效电路。

2002012n u u u == 1222212n u u u ==图 4 – 15 波形图根据变压器的工作原理, 考虑到O 、M 分别为变压器T1、 T2的中心抽头, 则有 u01= u02= 202n u (4 - 29) u21= u22=122n u -(4 - 30)式中 n1#, n2为变压器T1、T2的变比。

采用电路分析的基本方法, 可求得图 4 - 15（b ）所示电路的输出电压uL 的表达式:同理当u2与u0均为负半周时, 二极管VD2、VD3截止, VD1、 VD4导通。

其等效电路如图 4 - 15（c ）所示, 输出电压uL 表达式与式(4 -31）相同, 说明只要位移Δx>0, 不论u2与u0是正半周还是负半周，负载RL 两端得到的电压uL 始终为正。

当Δx<0时,u2与u0为同频反相。

采用上述相同的分析方法不难得到当Δx<0时, 不论u2与u0是正半周还是负半周, 负载电阻RL 两端得到的输出电压uL 表达式总是为)2(112L L L R R n u R u +-= 所以上述相敏检波电路输出电压uL 的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律, 即uL 的值反映位移Δx 的大小, 而uL 的极性则反映了位移Δx 的方向。

)2(112L L L R R n u R u +=四、差动变压式传感器的应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量, 也可以测量与位移有关的任何机械量, 如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。

图4 - 17 所示为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。

它由悬臂梁1 和差动变压器2 构成。

测量时, 将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定, 而将衔铁的A端与被测振动体相连。

当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时, 导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。

图4 - 17 差动变压器式加速度传感器原理图。