差动变压器及应用【古柏特选】.doc

差动变压器及其应用一、差动变压器简介（摘自日刊《传感器技术》1986年5月专号） 差动变压器是一种将机械位移变换成电信号的电磁感应式位移传感器它主要是靠圆筒线圈内的可动铁芯的位移，在圆筒线圈的输入线圈和输出线圈之间建立起相互感应关系，可动铁芯的位移可以通过测定与其成正比的输出线圈的感应电压来获得1、差动变压器的特点 （1）线性范围的种类很多，容易根据用途进行选择，通常在±2mm～±200mm级之间有10个左右类型的品种 （2）结构简单，所以耐振性和耐冲击性都很强 （3）不磨损，不变质，耐久性优良 （4）输出电压对铁心的位移有精确的比例，即直线性好一般这种传感器中全行程偏差小于1%，在高档品可以保证在±0.2%～±0.3% （5）因为灵敏度高，可以获得大的输出电压，不要求外围电路高级化也能检测到微小的位移 （6）因为输出变化平滑，故能进行高分辨率的检测 （7）零点稳定，以其作为测定的基准点对维持精度有好处 （8）能够得到从500Hz到100Hz的高的响应速度2、差动变压器原理 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1-2 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 一次P＋X二次S2S1－X＋X－XP零点铁芯 图1-1 差动变压器构造原理 es1es2x线性范围es=es1-es2 图1-2 差动变压器铁芯位移—输出关系3、种类 差动变压器分类的依据有如下几种： （1）根据输入到一次线圈的电压（激磁类型）： ▲ 商用电源型，适用于50～60Hz，6.3V电源激磁的实用测量仪器； ▲ 振荡电源型，是由1～5KHz的振荡电路激磁的方式，适用于要求一定精度和响应 特性的应用测量仪表； ▲ 直流电源型，在差动变压器的线圈部分安装半导体器件构成线圈内部的激磁振荡 电路和二次输出检波电路，是输入和输出皆为直流的差动变压器，叫做DC—DT。

（2）根据铁芯的位移1范围（位移类型）： ◆ 微小位移型，从结构上考虑了怎样用于计测0.5mm以下的微小位移；◆ 一般位移型，大约以100mm以下的位移为计测对象；◆ 长行程型，以120～400mm级的长行程的测量为对象 （3）根据使用环境（环境类型）： ■ 标准型，在温度为-30～+90℃，湿度为80%左右的通常环境中使用； ■ 耐环境型，用于高温、高湿、防水和耐放射性等环境的传感器4、外观和结构 标准的差动变压器由圆筒形的线圈和棒状的铁芯构成，在实际使用中也有装上导座和弹簧的结构，见图1-3（略） 特性和规格 将差动变压器作为位置传感器时，选择的规格项目如下： ◆ 激磁电源（频率、电压、波形等）； ◆ 结构（是否需要导座和弹簧）； ◆ 线性范围（通常为±1%，高档品为 ±0.5%～±0.2%）； ◆ 灵敏度（对应铁芯位移1mm的输出）； ◆ 阻抗（输入端、输出端阻抗）； ◆ 连接条件（电缆、插座、输入电路等）； ◆ 装配方法（与被测对象的连接方法等）； ◆ 环境条件（温度、湿度、灰尘、防水性、防锈条件等）5、应用 因为差动变压器作为位移传感器的优良特性，几乎在一切工业领域得到了应用，下面介绍几个具体例子。

（1）钢铁工业： 高炉的炉顶水平检测、连续铸造轧辊间隙、砂型振动、凸度等检测，铁水包、中间包等滑动水口的位置检测等 （2）重型电机工业：蒸汽透平的主阀、旁通阀的阀升程检测，升降机的姿势监控等 （3）工程机械工业：数控机床模拟检测用的测量头 （4）陶瓷工业：耐火材料的热膨胀检测，模板玻璃的形状检测 （5）船舶、车辆工业：柴油机的燃料分类位置检测，汽车发动机的燃料喷射阀的动态特性检测，轮胎、车轮的偏心量检测 （6）测重机工业：自动计量袋装重量的装置，沥青送料装置计重机 （7）计测仪器、试验机工业：用于金属材料和塑料等牵引试验、蠕变试验，流量计、液面计的信号变换部分，土木建筑构件的机械试验 （8）一般工业：组装轴承的隔片选片机，冲压时的动作偏差检测，工件的尺寸和形状偏差检测等二、差动变压器（摘自《非电量电测技术》） 此处仅列出提纲，深入研究请查看原文1、工作原理与结构 差动变压器的结构分为变隙式和螺线管式两种，变隙式差动变压器由于行程很小，结构也较复杂，因此目前已很少采用，而大多数采用螺管式 螺管式差动变压器的基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等初级线圈作为激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串联而成，形成变压器的副边。

根据初、次级排列形式不同有二节式、三节式和多节式三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式都是为了改善传感器线性而作的努力 差动变压器的工作原理可以用变压器原理来解释，不同之处是：一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路；一般变压器原、副边的互感是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动而变化差动变压器工作正是建立在互感变化的基础上2、线性度与灵敏度 （1）线性度差动变压器的线性范围受到螺管线圈轴向磁场不均匀的影响靠合理的设计保证所要求的线性范围和线性度 （2）灵敏度差动变压器的灵敏度是指衔铁移动单位位移时所产生的输出电势的变化，可用mV/mm来表示；在实用中考虑到激励电压的影响，还常用mV/mm/V来表示，即衔铁单位位移所产生的电势变化除以激励电压值 差动变压器灵敏度的高低与初级电压、次级绕组匝数和激励电压的频率有关： ① 与次级匝数的关系 次级匝数增加，灵敏度增加，二者呈线性关系但是次级匝数不能无限制增加，因为差动变压器零点残余电压也随之变大 ② 初级电压 灵敏度与初级电压成正比关系，但初级电压也不能过大，过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，一般采用3～8V。

③ 激励电源频率 在频率很低时，灵敏度随频率增加而增加；当频率升高，线圈的感抗大大高于其电阻时，灵敏度与频率无关；当频率超过某一数值时（该值因衔铁材料而不同），由于高频时导线的集肤效应使导线有效电阻增加，衔铁的涡流损耗及磁滞损耗增加，使输出下降图2-1是某种导磁材料输入频率与灵敏度的关系，可供选择激励频率时参考f，kHz 0246810200400600800K，mV/mm/V 图2-1 差动变压器的激磁频率与灵敏度的关系3、产生误差的原因 误差是指传感器的实际特性与理想特性之间的偏差，这里主要分析传感器本身所固有的系统误差和随机误差，不涉及测量方法上的误差 （1）激励电源的幅值和频率影响 激励电源电压幅值的波动会使线圈激励磁场的强度发生变化而直接影响输出电势频率的波动影响不大 （2）温度变化的影响 环境温度的变化会引起线圈及导磁体磁导率的变化，使线圈磁场发生变化而产生温度漂移当线圈品质因数较低时，这种影响更为严重采用恒流源激励比恒压源有利，适当提高线圈的品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响 （3）零点残余电压 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想的情况输出电压应为零。

但实际上在使用电桥式电路时，在零点时总有一个微小的电压值（从零点几毫伏到数十毫伏）存在，这个电压称为零点残余电压图2-2是扩大了的表示零点残余电压的输出特性虚线为理想特性，实线表示实际特性零点残余电压的存在会造成零点附近的不灵敏区 零点残余电压的波形十分复杂，并且不规则经分析它包含了基波同相成分、基波正交成分，还有二次和三次谐波以及幅值较小的电磁干扰波等 零点残余电压产生的原因如下：e2－X+Xe2－X+X012 图2-2 差动变压器的零点残余电压 图2-3 采用相敏检波后的输出特性 ① 基波分量 由于差动变压器两只次级绕组的绕制在工艺上不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感、自感和损耗电阻等）不可能完全相等，从而使两个感应电势数值不等初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在，亦使激磁电流与所产生的磁通不同相 上述因素使得两个次级线圈中的感应电势不仅数值不等，相位也存在误差相位的不同所产生的零点残余电压无法通过调节衔铁位移来消除 ② 高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料的磁化曲线的非线性引起由于磁滞损耗和磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致，导致产生非正弦波（主要是三次谐波磁通），从而在次级绕组感应出非正弦波的电势。

消除零点残余电压的一般方法： ① 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，结构上可采用磁路调节机构；在选取磁路工作点时，应保证磁场不工作在磁化曲线饱和区域 ② 选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁移动方向，而且可以把衔铁在中间位置时的高次谐波零点残余电压消除很多如图2-3所示，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变成2，从而消除了零点残余电压 ③ 采用补偿线路在差动变压器应用中，为了消除零点残余电压而采用的电路形式很多，归纳起来大致有如下几种： ▲ 加串连电阻以消除基波同相成分；一般串连电阻的阻值很小，为0.5～5Ω，用 康铜丝绕制 ▲ 加并联电阻以消除基波正交成分，但它对基波同相成分有影响；并联电阻的阻值为数 十到数百千欧 ▲ 并联电容，改变相移，补偿高次谐波分量；并联电容的数值在100～500pf范围内 ▲ 加反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量 实际上这些数值通过实验来确定；在搞通差动变压器的工作原理和零点残余电压产生的原因基础上，上述方法可以变通和组合，也有可能设计出新的补偿电路图2-4给出一些补偿零点残余电压的线路原理图，供参考 图2-4 差动变压器零点残余电压补偿电路 4、测量电路 （1）差动直流输出电路 差动变压器的输出电压是交流信号，其幅值与衔铁位移成正比。

如果用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映位移的方向其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，即使采用各种补偿方法，也只能减小而不能完全消除所以在工程实践中常用的是直流输出电路，既能反映衔铁位移方向，又能补偿零点残余电压 直流输出电路有两种形式：一种是差动相敏检波电路，另一种是差动整流电路 差动整流电路如图2-5所示，这种电路比较简单，不需要比较。