差动变压器及应用

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101 线性范围的种类很多,容易根据用途进行选择,通常在土2mmr 200mm级之间有 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土 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 1-2 。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。

  X XXXXXXXP零点图1-1差动变压器构造原理x图1-2差动变压器铁芯位移一输出关系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 5060Hz,电源激磁的实用测量仪器; 振荡电源型,是由15KHz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DCDT。(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120400mm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-3090C,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); 线性范围(通常为土 1高档品为 土- )灵敏度(对应铁芯位移 1mm勺输出); 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(与被测对象勺连接方法等); 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勺优良特性,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 高炉勺炉顶水平检测、连续铸造轧辊间隙、砂型振动、凸度等检测,铁 水包、中间包等滑动水口勺位置检测等。( 2)重型电机工业蒸汽透平勺主阀、旁通阀勺阀升程检测,升降机勺姿势监控等。( 3)工程机械工业数控机床模拟检测用勺测量头。( 4)陶瓷工业耐火材料勺热膨胀检测,模板玻璃勺形状检测。( 5)船舶、车辆工业柴油机勺燃料分类位置检测,汽车发动机勺燃料喷射阀勺动态特性 检测,轮胎、车轮勺偏心量检测。( 6)测重机工业自动计量袋装重量勺装置,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。、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mV/mm/V来表示,即衔铁单位位移用mV/mm来表示;在实用中考虑到激励电压的影响,还常用 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 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。

  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38V。

  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。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 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。

  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 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。

  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。

  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力伸连电阻以消除基波同相成分;一般串连电阻的阻值很小,为5Q,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2-4 给出一些补偿零因基础上,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 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,不需要比较电压绕组,不需要考虑相位 调整和零点残余电压的影响,对感应和分布电容影响亦可不予考虑。另外,由于整流部分在差 动输出一侧,两条直流输送线连接方便,可以远距离输送,应用比较广泛。图2-5差动整流电路a)全波电流输出b)半波电流输出c)全波电压输出d)半波电压输出差动相敏检波电路有很多种形式,图 2-6 给出两个例子,一种是全波电路,一种是半波电 路。相敏检波电路要求比较电压和差动变压器次级输出电压频率相同,相位相同或相反。为了保证这一点,通常在电路中接入移相电路。另外,要求比较电压幅值应尽可能大,(因为比较电 压在检波电路中是起开关作用,若小于信号电压则不能使开关打通),一般应为信号电压的 35倍。图中Rw是电桥调零电位器。对于测量小位移的情况,由于输出信号小,电路中还要接输入 放大器。图2-6差动相敏检波电路a )全波检波b )半波检波( 2)直流差动变压器线路直流差动变压器工作原理与上面所述普通差动变压器完全相同,差别仅在于仪器所用的电源是直流电源(干电池、蓄电池等)。直流差动变压器原理图如图 2-7 所示,由直流电源、多谐振荡器、差动整流电路和滤波器等组成。图 2-7 直流差动变压器线路原理图多谐振荡器提供差动变压器高频激励电源,可以是方波、三角波或正弦波。直流差动变压 器一 般用于下列场合 测量点与控制室相距较远(大于100m); 同时使用多个差动变压器,要求相互之间以及对其他设备不产生干扰; 需要防爆的场合; 要求便于携带,如在野外工作。5、差动变压器应用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。

  它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土 3卩m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。三、差动变压器应用电路实例1、MZK-4R磨床自动控制装置 本装置用于自动或半自动磨床上。在工件磨削过程中,控制装置能精确地根据预调量的大 小顺次发出 4 个信号来控制磨头的引进、粗磨、精磨、光磨和退出等过程,实现磨削过程的自 动测量与控制。( 1 )磨床的工作过程 当工件装卡完毕后,测量装置先进入工件进行测量,如果工件尺寸符合预调结果,控制装 置就发出“起始”信号,磨头进入工件并向加工方向快速进给,开始粗磨。以内磨为例,随着 砂轮磨削工件尺寸逐渐变小,测量头输出信号也随之变小,达到预设位置时由触发器顺次发出 三个信号,即“粗磨结束”信号,表示粗磨结束,使砂轮进给速度减小,进入精磨;当精磨结 束时发出“精磨结束”信号,使砂轮停止进给,进行光磨;最后到达预设尺寸时发出“光磨结 束”信号,使砂轮和检测装置快速退出。(2)测量头(传感器)工作原理测量头采用差动变压器式位移传感器,其结构如图(a)所示,铁芯向右移动,使绕组 A感应电势减小,绕组 B感应电势增加(反之亦然)。此两绕组与测量装置中的电阻 R1、R2组成桥 路,实现差动输出,见图( b)。次级线圈初级线圈C欠级线圈B次级差动输出初级激磁电压图差动变压器原理图初级线圈由方波发生器励磁,方波频率为3kHz,电压有效值为。随着铁芯位移量的变化,在电位器Rw的动臂与测量头次级公共抽头(接地)之间产生一个相应的电压变量,此电压变量 经放大和相敏整流后即获得图的位移一电压特性曲线。图 差动变压器输出特性曲线图中S T段为全部线性范围,其中 H E段(高精度)为X 1档指示范围,K C段(低精 度)为X 10档指示范围。“起始” (0)信号在D A段发出,“粗磨结束” (1)信号在G B段发 出,“精磨结束”信号(2)在0 F段发出,“光磨结束”信号(3)在0点发出。(3)电路原理“2 ”“1 ”“0 ”“3 ” 电路方框图如图。信号信号信号信号图控制装置电路方框图 电路原理说明装置由6个部分组成,测量部分详见电路原理图()输入桥路,两臂由测量头两个次级绕组组成,另两臂由R84 R85组成,电位器 VR1作电气零点粗调,VR2作零点微调,R86用于限制零点调节范围。为了获得放大器校正用的基准电压,由方波发生器取得一个电压,经变压器TR4 R88、R89 组成另一个桥路,VR4用来调节基准电压。

  放大器,将输入电路中获得的微弱信号进行放大,使之有足够的幅值完成测量与控制作用。T15、T17、T18构成电压放大器,增益分别为10、20、20dB左右,T16是缓冲级,T19、T20构成推挽功率放大级,放大器增的电压增益约6070dB。为了获得较高的稳定性和线性,各级都加了较深的负反馈,其中第一级负反馈是可调的,通过VR3调整放大器的总增益。

  相敏整流与指示电路,用来完成整流并鉴别输入信号的相位。由D15、D16组成半波整流电路,封锁电压为 13V,由方波发生器提供。整流后的直流缓变信号一方面用作触发器的输入,另一路用作面板指示。卩表是满量程150卩A的微安表,用并联电阻 R90 R91获得50卩和500卩的满量程指示。D33用作电压箝位,以 保护表头。

  方波发生器,用来产生测量头所需的励磁电压和相敏整流所需的封锁电压。由 T21、T22组成高矩形系数多谐振荡器电路,起振容易,频率和幅度稳定度高,其振荡频率为3。

  触发器,根据相敏整流的输出电压和预调电压的比较结果,顺次产生四个不同的控制信号输出。

  电路采用射极由稳压管耦合的双稳态触发器,温度漂移小,回差调节方便。

  其中 VR5、VR6 VR7、VR8分别作为面板上“ 0”、“1 ”、“2”、“3”四个信号的调节电位器。

  电源一24V,整流滤波后供功率继电器使用;-15V,由串联稳压电路产生,用作各三极管的集电极电压及触发器预调用; 6V,由并联稳压电路产生,供给触发器的偏压和预调用。(4)主要技术指标 仪表分度及误差高精度(G)档1卩/分度;满量程-1050卩;误差三卩低精度(D)档20卩/分度;满量程-100500 ;误差w 30卩 控制信号可调范围“ 0”信号,350500卩;“1 ”信号,30100卩;“ 2”信号,030卩;“ 3”信号,-1010卩 电气零点可调范围不小于100 ,另有土 5卩微调重复误差不大于1卩 (电网)电压调整误差不大于 3卩 不稳定性时间漂移不大于10卩/4小时; 温度漂移不大于10卩/10 C2、ZD41B短圆柱磙子分选机本机由高精度测微头(差动变压器),配合晶体管电路组成测量和逻辑控制装置,完成自动分选短圆柱轴承磙子的任务。( 1 )主要技术指标 测量范围长度不大于 15mm直径515mm 精度 1 (1,2卩,3卩若重新整定倍率和径向分组电位器,可获得51范围内的任意分组 分组数 10组。过小,1、2、3、4、5、6、7、8,过大 速度 28 个/ 分钟到 65 个/ 分钟,任意调节( 2 )工作原理磙柱径向尺寸的测量和分类是自动化的。待测的磙柱预先由人工放入盘形料斗,通过振动 磙柱沿着管道到达送料位置,然后由往复运动的推杆推入测量部位进行径向测量。当不同尺寸的磙子进入测量部位进行测量时,差动变压器导杆铁芯在线圈中位移,从而差动变压器输出一个与磙柱尺寸变化成正比的交流电信号,这一微小电信号经放大、整流后再由直流放大器放大,使相应的触发器动作带动执行继电器和电磁铁,从而开启分类组储料活门,使测量完的不同直径尺寸的磙柱落到不同的分类储料箱中,完成自动测量和分类任务。这里主要介绍径向尺寸测量部分,即差动变压器及其二次电路。磙子测量部分由差动变压 器、4KHz 振荡器、衰减器、低频交流放大器、相敏整流、直流放大器、稳压电源等部分组成,详见电路原理图( -200A)。

  测微头(差动变压器)利用差动变压器将磙柱直径尺寸转变为电量的变化,其变换关 系为E2 Af (l )E2是次级线圈电压; A是比例常数;|是磙柱直径。初级线圈采用频率 4KHz幅值23V的矩形波激磁。因而在次级线圈中感应出 u2、u3电压。

  将次级两线圈的异名端相连作为公共点接地,另外两端作为差动输出,并与电阻R1、R2及电位器VR构成电桥平衡回路。当铁芯位于两个次级线圈中心位置时,由于两个线圈磁阻相等,电桥 处于平衡状态,差动变压器输出E2 0 (u2 u3)。静态时由于铁芯和导杆的自重使铁芯位于次级线圈最下端,因而输出一个负极性电压;测量磙柱时导杆向上位移,带动铁芯在差动线圈中 也同时向上位移,输出电压随位移大小而变化,当位移超过中心位置时,差动变压器输出一个 正极性电压。

  振荡器采用一只高频三极管作为电容分压式振荡器,振荡频率4KHz此电路特点能避免电感式振荡器电感绕制的困难。利用中间变压器耦合输出,再经一级电压放大,用两只对 接的齐纳二极管限幅削波,形成波幅恒定的(23V)矩形波,一路供差动变压器初级激磁,另一路作为相敏整流比较电压。

  交流放大器三级增幅电路,变压器耦合输出。为保持放大器增益稳定,在一、二级之间引入20dB负反馈,放大总增益为7580dB。

  相敏整流电路采用二极管半波相敏整流,比较电压幅值较高,正半周使两个二极管 都打通。信号电压较小,与比较电压同相输出正电压,与比较电压反相输出负电压。

  直流差动放大器相敏整流电路输出的直流电压进一步放大,并实现极性转换。当输入士 50mV寸,差动输出为 412V。3、差动变压器应用讨论( 1 )上面的例子使用了差动变压器的两个方向,是针对磙柱分选这一特殊用途确定的。使 用寸标称尺寸的磙柱测量寸,差动变压器铁芯正好调在中心位置,正公差的磙子产生正位移,输出正电压;负公差的磙子产生负位移,输出负电压。充分利用了差动变压器的线性范围。对于不同的应用,特别是小量程、高精度测量,不需要区分位移的方向,也可以只用差动 变压器一个方向的位移,相应的电路还可以简化。( 2)该产品为上世纪 70 年代产品,所以使用晶体管分立元件电路。今天的电子技术和元、器件水平早已不可同年而语,交流放大和直流放大完全可以采用运算放大器,性能比分立元件 电路好的多。电路的基本原理和各个功能部分还是适用的,可以据此进行设计。( 3)现在单片机应用普及,完全可以取代过去各种逻辑电路。在使用单片机的情况下,整 个电路设计可能产生巨大变化。例如,振荡源可以数字化(晶振分频或直接由单片机产生),测量结果数字化(经 A/D 转换),就不需要大量的模拟比较器、触发器,可用程序判断的方法。甚A/D 转换,省去相敏整至,利用单片机精确的定寸、同步功能,可以直接对交流信号采样进行流电路等。测量结果数字化以后,就可以采用数据传输代替模拟量传输,不损失精度,抗干扰,传输距离远。