差动变压器式电感传感器的性能测试

基本性能试验主要是对传感器的工作原理进行验证，通过振动台或调节螺旋 测微头给传感器输入一位移信号，用又线示波器或液晶电压表来观察传感器 的输出电压情况，看看是否与理论相符。如有较大出入则应查找原因，设法 排除。
差动变压器式电感传感器零点残余电压的测试与补偿方法是：将传感器接 音频信号源，调节螺旋测微头，使传感器的输入为零，用示波器或液晶电压 表观察其输出电压，可以测出传感器零点电压的大小，应将放大器增益调至 最大。零点残余的补偿可以通过调节电位器1和2来实现，反复调节电位器， 使传感器在输入为零时的输出也为零，就达到了对零点残余电压补偿的目的。
3
2 1
4
5
6
7
8
9
LV
音频 振荡
0°Vi
Φ1
U0
C
器
Φ2
r
W1
W2
P1 Vi1 Vi2
12 U0 Vi
11 10
U0 液晶电 压表
图8.6 性能测试原理框图
9
8.3 实训的具体内容
本实训的内容有差动变压器式电感传感器基本性能试验、零点残余电压的测 试与补偿和传感器性能参数的标定三个方面。
8.3.1差动变压器式电感传感器基本性能试验
4
8.2.2差动变压器式电感传感器的常用测量电路
差动变压器式传感器输出的信号需经测量电路处理，常用的处理电路主要有 相uL差动相敏检波电路（解调器）既能检出调幅波包络的大小，又能判别包络 极性的检波电路称为相敏检波电路。差动相敏检波电路有很多类型，但原理基 本相同，下面以二极管环形差动相敏检波电路[7]为例分析其工作原理。如图 8.3所示，该电路的核心是采用四个特性完全一致的二极管及平衡电阻以同一 方向串联接成一个闭合回路来组成环形电桥。主要有输入变压器1、环形电桥2、 解调变压器3和输出负载4（RL）等四个部分组成。工作过程如下：
12
8.5.2零点残余的测试与补偿步骤 1.按图8.6接好线路，征得指导老师同意后接通音频信号源； 2.用示波器将音频信号的输出电压幅值调至2V，保持不变； 3.调整动铁芯位置，使其位于变压器的中点上，通过示波器观察传感器的输 出电压情况，所测到的电压就是所谓的零点残余电压； 4.调节电位器1和电位器2，使输出电压尽量减小，达到平衡； 8.5.3性能参数标定的步骤 1.装上测微头，进行调整，使差动变压器的动铁芯处于中间位置，达到理论 上的零点值。并通过调零网络进行系统调零； 2.向下旋转测微头，每隔0.5mm测量一次输出电压值，记在表8.1中； 3.重复测量几次，将所得结果平均以消除粗大误差； 4.加反方向位移再进行测量，观察电压方向是否也有相应的改变； 5.根据测量数据计算系统灵敏度K=∆V/∆X，对传感器进行标定；
8.3.2差动变压器式电感传感器性能参数的标定
性能参数的标定是用标准位移或标准信号对传感器的输出电压进行量化测定 的过程。内容主要包括按原理电路图接线，对系统进行调零，系统线性范围 的测定，各标准输出量的测量，电压灵敏度的计算等等。
10
8.4 所用设备介绍
本实训用到的设备有：音频振荡器、差动变压器、测微头、电桥、双线示波器、 移相器、检波器、低通滤波器和液晶电压表等。这里只介绍低通滤波器，其余的 设备均已介绍过。
差动变压器的灵敏度是其最主要的性能指标，它是指动铁芯在产生单位 位移时所引起的输出电压量，一般用输出电压的增量与动铁芯位移增量之比 表示，即：KU=∆U/∆X。影响因素主要有副边绕组的线圈匝数和原边绕组的励 磁电压及频率等。
3
2.零点残余电压及其补偿
差动变压器在平衡位置时的输出电压也是不可能等于零的，存在一较小的输 出电压。一般将此电压称为差动变压器式电感传感器的零点残余电压。产生 零点残余的原因主要有：两个副边绕组的电气参数及几何结构不可能完全对 称，以及磁性材料在磁化时的非线性（如磁饱和、磁滞）等。零点残余电压 包含有基波分量、高次谐波等成分，基波分量主要是由于传感器的两个副边 绕组在材料或工艺等方面的差异，引起其等效电路的电气参数不同造成的； 高次谐波主要是由于导磁材料的磁化曲线存在着非线性而造成的；在实际应 用中必须采取一定的补偿措施。
M
u RL
L
O
7
R
C +
~ uR1 -
R
D -
~ uR2 +
B -
~ u01 +
u RL L
R C -
~ uR1 +
R
D +
~ uR2 -
A -
~ u02 +
u RL L
A
B
图8.4 正半周等效电路图
r1
I1
U1
源自文库
L1
VD!
I2a
L2aE2a
I
mA
R0
L2b E2b
VD2 I2b
图8.5 半波电流输出型
1
8.2 实训的基本原理
1.差动变压器式电感传感器的结构原理和性能特点
（1）结构原理图 螺管式差动变压器的结构原理[6]如图8.1所示：主要由原方绕组1、两个匝数
相等的副边绕组4和7、动铁芯6、导磁外壳3和骨架5等六部分组成。按其绕组 的排列方式，可将这种传感器分成一节、二节、三节、四节和五节等形式。前 三种形式结构简单、性能适中，使用较为广泛；后两种因结构太复杂而较少应 用。原理分析如下：
当差动变压器产生一位移时，假设方向为图8.3中箭头所示，在u0、 uR均 为正半周时，它们的极性与图中的正方向相同。由图可知，环形电桥中VD1和 VD4截止，VD2、VD3导通，略去二极管的正向压降和反向漏电流可得u0、 uR 均为正半周时的等效电路，如图8.4中的A图所示。由变压器的基本原理，又O、 M点分别为T2、T1的中点，故有：
差动变压器的输出信号经输入变压器1耦合到环形电桥2的一个对角线；解 调信号由解调变压器3输入到环形电桥2的另一个对角线，输出信号从输入变压 器1和解调变压器3的副边中心引出加到负载4上。其中，平衡电阻起限流作用， 以控制二极管导通状态下的解调变压器副绕组工作电流。解调信号的幅值应远 大于被测信号幅值，以便于有效地控制四个二极管的导通状态。解调信号与激 励信号须由同一信号源提供，以保证两者同频率、同相位。
8
8.2.3差动变压器式电感传感器性能测试原理
利用YL—CG型传感器实训台提供的仪器设备，制订差动变压器式电感 传感器性能测试原理如图8.6所示：整个测试系统由激振源1、振动台2、支 架3、测微头4、振动梁5、差动变压器式电感传感器6、调零网络7、载波信 号源8、移相电路9、液晶电压表10、低通滤器11和相敏检波电路12等部分组 成。该系统用实训台上的振动梁来驱动传感器的动铁芯，使之产生一位移X， 从而使得传感器输出一个差动电压信号U01、U02；此信号经相敏检波后送低 通滤波器，得到一与位移大小成正比、与位移方向有固定关系的电压量。通 过螺旋测微头可对其进行标定。
布电容小等许多优点，因而在低精度测量中得到了广泛的应用。一般经相敏 检波和差动整流后输出的信号还必须通过低通滤波器滤掉高频调制信号
6
1
r1
I1 U1
r2a
E2a L2a
L1
r2b
E2b
L2b
2
4
T1
u01
U0
u02
3
A
R VD1
R C VD2
VD4 D R
VD3 R
B
u u R1
R2
T2
uR
图8.3 二极管相敏检波电路图
动变压器式电感传感器的零点残余电压的补偿措施主要有：一是在传感 器的结构设计和制作工艺上采取一定的措施来消除。如几何尺寸尽量做得要 对称，要选用导磁率高、磁滞小的导磁材料，铁芯要经过热处理，磁路要保 证工作在线性区等；二是在处理电路上采取一些措施，如采用带相敏检波的 整流电路等；三是处理电路中专门设置补偿环节，如串、并联电阻补偿或并 联电容补偿等；
图8.2 差动变压器电 感传感器等效电路图
（2）性能特点 差动变压器的输出电压在理想状态下与输入位移成线性关系，但实际工作时
其线性度受位移量大小的影响较大，在位移小时线性尚好，但位移一大线性 就很差。影响因素主要有线圈骨架的形状及机械结构精度，线圈的排列状况， 铁芯的几何结构、材质和尺寸精度及励磁频率和负载大小等许多因素。要提 高其线性度，应使它的测量范围不超过线圈框架长度的1/4，励磁频率应采用 中频，最好配用相敏检波器。
当动铁芯产生一位移时，由于磁阻的影响，两个副边绕组的磁通将发生一 正一负的差动变化，导致其感应电势也发生相应的改变，失去平衡，使传感器 有一对应于动铁芯位移的电压输出量。
2
r0
3
1
r
4
5
2x
2
6
7
r1
I1 U1
r2a
E2a
U2 RL
L2a
L1
r2b
E2b
L2b
图8.1 差动变压器电 感传感器结构示意图
5
u R1
uR2
uR
；2 K u 2
u01
u02
u0 2K u1
（8—1）
其中：Ku1 、Ku2分别为T2、T1的变压比。由电路分析可求出其输出电压为：
uL
RL R/2
RL
u02
K u1
RL R 2RL
u0
（8——2）
其方向与图中正方向一致。当u0、 uR均为负半周时的等效电路，如图8.4中的 B图所示。采用相同的方法可求得输出电压为：
uL
RL R / 2 RL
u01
K u1
RL R 2RL
u0
（8——3）
由以上分析可知，只要传感器的位移方向不变，无论是正半周还是负半周，
电路的输出电压极性不变；同理，当位移方向改变时输出电压也改变了极性。 因此这种电路能差别位移的方向。相敏检波电路不仅能判别位移、具有较好 的线性度，而且还能消除零点残余电压，故应用较为广泛。
典型的二阶有源滤波器电路如图8.8所示：在电路中，反馈回路里增加的电 容C3可有效抑制尖峰脉冲。
其幅频响应表达式为：Q＝1/(3－Aμf)；式中Aμf＝1＋Rf/R1 ，ωo＝1/RC
上式中的特征频率ω0就是3分贝截止频率。因此上限截止频率为fH＝1/(2πRC)， 当Q＝0.707时，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器。
第8章 差动变压器式电感传感器的性能测试
8.1 实训的目的要求
8.1.1实训目的 1.通过本次实训使同学们进一步了解差动变压器式传感器的结构原理； 2.掌握这种传感器的常用测量电路的工作原理和性能特点； 3.通过本次实训进一步理解差动变压器式传感器零点残余电压的有关概念， 掌握消除零点残余的基本原理和方法； 4.掌握这种传感器基本性能的标定方法； 5.进一步学习电桥网络的调零和双线示波器的使用技巧； 8.1.2实训要求 1.认真预习有关差动变压器式电感传感器的结构原理及其测量电路的内容， 充分理解和掌握有关概念； 2.弄清有关零点残余电压的概念及其产生的内在原因； 3.认真预习关于这个实训的相关内容，弄清其基本原理，掌握所用设备的操 作要求和规范； 4.看懂本实训的电路原理图，想好接线、布线方法，便于合理接线；
由于差动变压器的输出较大，当测量要求不高时可直接将其输出接入差动
整流电路进行整流得到一直流输出电压，进行位移的检测。这种电路也有多 种结构形式，如图8.5所示为最简单的半波电流输出型差动整流电路[8]。其原
理为差动变压器的输出信号分别经两个二极管整流后取其差值作为输出信号， I=I2a—I2b。
差动整流电路结构简单，不需考虑相位调整和零点残余电压的影响，分
低通滤波器由50Hz滤波器、有源二阶低通滤波器和带阻滤波等类型，频率范围 为0～30Hz。滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无 用频率信号的电子装置。工程上常用作信号处理、数据传送和抑制干扰等。
由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定 频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可以用在信息 处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受到运算放大器频带限制，这类滤波器 主要用于低频范围。目前有源滤波器的最高工作频率只能达到1MHz左右。根据 对频率范围的选择不同，可以分为低通、高通、带通与带阻等四种滤波器。 模 块的电路原理如图8.7所示：
11
C2
C3
R
C3
+VCC
2
7
R3 Vi
R1
+
3
μA741
6 RR5
C1
-
5
4
V0
R2
Rb
R3
-
μA741
1
W
C4
R1
R2
+
V0
Vi
C2
x
-VCC
C1
Rf
图8.7 低通滤波电路原理图
图8.8 二阶有源滤波电路图
8.5 操作步骤
8.5.1基本性能测试步骤 1.观察差动变压器式电感传感器的外形构造，将传感器的原边绕组接音频
振荡器，同时将波形送示波器第一通道，副边绕组接示波器第二通道； 2.调节音频振荡器的振荡幅度，使输入到原边绕组的电压幅值为2V；
3.旋动螺旋测微头给传感器以一定的位移变化，测量每一位移对应的副边 绕组电压U2；
4.注意输出电压的相位变化，找出其与位移之间的对应关系； 5.观察测量结果与理论之间的差距，分析其中的原因；
差动变压器式传感器在工作时两个副边绕组接成反向串联电路，在线圈的品 质因数Q足够高的前提下（一般都能满足），可忽略铁损、磁损及线圈分布电 容的影响，其等效电路[7]如图8.2所示。当原边绕组通以交流激励电压作用时， 在变压器副边的两个线圈里就会感应出完全相等同的感应电势来。由于是反向 串联，因此，这两个感应电势相互抵消，从而使传感器在平衡位置的输出为零。