差动变压器式电感传感器性能测试.ppt

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1、差动变压器式电感传感器的性能测试差动变压器式电感传感器的性能测试实验三实验三一、实验目的一、实验目的：1.1.通过本次实验使同学们进一步了解差动变压器式传感器的结构通过本次实验使同学们进一步了解差动变压器式传感器的结构原理；原理；2.2.掌握这种传感器的常用测量电路的工作原理和性能特点；掌握这种传感器的常用测量电路的工作原理和性能特点；3.3.通过本次实验进一步理解差动变压器式传感器零点残余电压的有通过本次实验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；关概念，掌握消除零点残余的基本原理和方法；4.4.掌握这种传感器基本性能的标定方法；掌握这种传感器基

2、本性能的标定方法；5.5.进一步学习电桥网络的调零和双线示波器的使用技巧；进一步学习电桥网络的调零和双线示波器的使用技巧；3 3、差动变压器式电感传感器性能参数的标定、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。1 1差动变压器式电感传感器基本性能试验差动变压器式电感传感器基本性能试验 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

3、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。2 2、差动变压器式电感传感器零点残余电压的测试与补偿、差动变压器式电感传感器零点残余电压的测试与补偿 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。二二、实验内容实验内容 1.1.差动变压器式电感传感器的结构原理和性能特点差动变压器式电感传感器

4、的结构原理和性能特点（1 1）结构原理图）结构原理图 差动变压器的结构原理如图所示：主要由原方绕组差动变压器的结构原理如图所示：主要由原方绕组1 1、两个匝数相等的副边、两个匝数相等的副边绕组绕组4 4和和7 7、动铁芯、动铁芯6 6、导磁外壳、导磁外壳3 3和骨架和骨架5 5等六部分组成。按其绕组的排列方式，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。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

5、。三、实验应知知识三、实验应知知识 差动变压器式传感器在工作时两个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，在线圈的副边绕组接成反向串联电路，在线圈的品质因数品质因数Q Q足够高的前提下（一般都能足够高的前提下（一般都能满足），可忽略铁损、磁损及线圈分布满足），可忽略铁损、磁损及线圈分布电容的影响，其等效电路如图所示。电容的影响，其等效电路如图所示。当原边绕组通以交流激励电压作用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反向

6、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抵消，从而使传感器在平衡位置的输出为零。为零。当动铁芯产生一位移时，由于磁阻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。有一对应于动铁芯位移的电压输出量。2 2、工作原理分析如下：、工作原理分析如下：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，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

7、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测量范围不超过线圈框架长度的1/41/4，励磁频率应采用中频，最好配，励磁频率应采用中频，最好配用相敏检波器。用

8、相敏检波器。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：铁芯位移增量之比表示，即：KU=KU=U/U/X X。影响因素主要有副边绕组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的线圈匝数和原边绕组的励磁电压及频率等。3 3、差动变压器的性能特点、差动变压器的性能特点 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

9、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。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

10、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；4.4.零点残余电压及其补偿零点残余电压及其补偿 本本次次实实验验是是利利用用ZCYZCY1 1型型传传感感器器实实验验台台提提供供的的设设备备完完成成的的。测测试试原原理理如图：如图：整整个个测测试试系系统统由由激激振振源源1 1、振振动动台台2 2、支支架架3 3、测测微微头头4 4、振振动动梁梁5 5、差差动动变变压压器器式式电电感感传传感感器器6 6、调调零零网网络络7 7、载载波波信信号号源源8 8、移移相相电电路路9 9、电电压压表表1010、低低通通滤滤器器11

11、11和和相相敏敏检检波波电电路路1212等等部部分分组组成成。该该系系统统用用实实训训台台上上的的振振动动梁梁来来驱驱动动传传感感器器的的动动铁铁芯芯，使使之之产产生生一一位位移移X X，从从而而使使得得传传感感器器输输出出一一个个差差动动电电压压信信号号U U0101、U U0202；此此信信号号经经相相敏敏检检波波后后送送低低通通滤滤波波器器，得得到到一一与与位位移移大大小小成成正正比、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。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。5 5、差动变压器式电感传感器性能测试原理、差动变压器式电感传感器性能测试原理四、

12、实验应会技能四、实验应会技能1.1.差动变压器的输出特性测量差动变压器的输出特性测量 观察差动变压器式电感传感器的外形构造，观察差动变压器式电感传感器的外形构造，并按图连接实验电路。即将传感器的初级绕并按图连接实验电路。即将传感器的初级绕组接音频振荡器，必须从组接音频振荡器，必须从LvLv插口接出。插口接出。调整音频振荡器，用示波器测量，使其输调整音频振荡器，用示波器测量，使其输出频率为出频率为4KHZ/2Vp-p4KHZ/2Vp-p；并从音频振荡器的；并从音频振荡器的LvLv端口输出。端口输出。旋动测微头并将其调整到旋动测微头并将其调整到15mm 15mm 处，记录此时从示波器上读出的输出电

13、压处，记录此时从示波器上读出的输出电压u2u2的的p-pp-p数值并记录输入信号电压数值并记录输入信号电压u1u1与输出信号电压与输出信号电压u2u2的极性，填入表中。的极性，填入表中。使差动变压器铁芯从上移至下，每隔使差动变压器铁芯从上移至下，每隔1mm1mm步进，从示波器上读出次级输出电压步进，从示波器上读出次级输出电压（包括输出电压最小的那一点），将测试读据，填入表中。（包括输出电压最小的那一点），将测试读据，填入表中。(mm)15141312111098765o(mv)波形uiu2 此时注意观察示波器上差动变压器初、次级信号波形的相位此时注意观察示波器上差动变压器初、次级信号波形的相位

14、关系的变化，找出其与位移之间的对应关系。当碰芯从上移到关系的变化，找出其与位移之间的对应关系。当碰芯从上移到下时，两者的相位由（下时，两者的相位由（）相变为（）相变为（）相。）相。仔细调节测微头使次级的差动输出电压仔细调节测微头使次级的差动输出电压u2u2为最小，通常将为最小，通常将CH2CH2通道的通道的“垂直垂直”灵敏度打到较高档，这个最小电压叫做（灵敏度打到较高档，这个最小电压叫做（）可以看出它与输入电压的相位差约为（）可以看出它与输入电压的相位差约为（），因此是（），因此是（）正交分量。）正交分量。根据所测结果，将零点残余电压最小，定为座标轴根据所测结果，将零点残余电压最小，定为座标轴

15、“0”0”点，点，输入同相为正、反之为负。画出差动变压器输出电压特性（输入同相为正、反之为负。画出差动变压器输出电压特性（u2 u2 p_pp_p X X）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度：）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度：完成以下思考完成以下思考2 2差动变压器零点残余电压的补偿差动变压器零点残余电压的补偿 差动放大器将增益旋到最大后进行调零。将音频振荡器调到差动放大器将增益旋到最大后进行调零。将音频振荡器调到4KHZ/2Vp-p4KHZ/2Vp-p，上，上述准备工作完毕、关闭电源。述准备工作完毕、关闭电源。按图连线，图中按图连线，图中W1W1、W2W2、r r、C C为电桥电路中的调

16、零网络。完成后通电为电桥电路中的调零网络。完成后通电 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。再依次调整调整测微头，使差动放大器输出电压最小。再依次调整W1W1、W2W2使输出电使输出电压进一步减小。压进一步减小。用示波器观察用示波器观察CH2CH2通道零点残余电压的波形，注意与激励信号电压波形相比较。通道零点残余电压的波形，注意与激励信号电压波形相比较。经过被偿后的残余电压波形为（经过被偿后的残余电压波形为（）波形。这说明波形中有（）波形。这说明波形中有（）分量。）分量。3 3差动变压器的标定差动变压器的标定 将差动放大器的增益打到最大，并作调零处理。再按图所示条件，确保无误将差动放大器的增益

17、打到最大，并作调零处理。再按图所示条件，确保无误的连接好实验电路。尔后分别开启各使用处理电路模块的电源。的连接好实验电路。尔后分别开启各使用处理电路模块的电源。调整测微头，使差动变压器铁芯处于线圈的平衡位置（即调整测微头，使差动变压器铁芯处于线圈的平衡位置（即10mm10mm处）。再微调处）。再微调测微头和电桥调零网络的电位器测微头和电桥调零网络的电位器W1W1、W2W2，使电压表指示最小或指零。，使电压表指示最小或指零。旋转测微头，给铁芯一个较大的向上的位移（如：位移旋转测微头，给铁芯一个较大的向上的位移（如：位移3mm3mm即即13mm13mm处），同时处），同时用示波器观察相敏检波器端（

18、用示波器观察相敏检波器端（6 6处）的输出波形，并记录之。调整移相器电位，处）的输出波形，并记录之。调整移相器电位，使电压表指示为最大。使电压表指示为最大。旋动测微头，使铁芯从向上的较大位移移至向下的较大位移（即旋动测微头，使铁芯从向上的较大位移移至向下的较大位移（即8mm8mm处），用处），用示波器观察相敏检波器端（示波器观察相敏检波器端（6 6处）的输出波形，并记录之。处）的输出波形，并记录之。按表所列数据，每隔按表所列数据，每隔0.50mm0.50mm读取一组数据，将实验数据填入表中读取一组数据，将实验数据填入表中 (mm)1312.511.51110.5109.598.587.5o(m

19、v)波形uiu2 1.1.差动变压器的激励电压必须接音频振荡器的差动变压器的激励电压必须接音频振荡器的L LV V端；端；2.2.差差动动变变压压器器的的两两个个副副边边绕绕组组必必须须接接成成差差动动形形式式，既既同同名名端端相相连；连；3.3.差差动动变变压压器器与与示示波波器器的的连连线线不不能能太太长长，否否则则会会引引入入过过大大的的干干扰，影响测量结果；扰，影响测量结果；4.4.音频振荡器的振幅不宜过大，以免使输出溢出；音频振荡器的振幅不宜过大，以免使输出溢出；5.5.由由于于零零点点补补偿偿电电路路要要求求差差动动变变压压器器的的输输出出必必须须悬悬浮浮。因因此此，传传感感器器的

20、的输输出出信信号号较较难难用用一一般般示示波波器器来来观观察察到到，可可用用差差动动放放大大器器使双端输出转换为单端输出；使双端输出转换为单端输出；6.6.在系统标定时应反复测量几遍，以得到较准确的标定结果；在系统标定时应反复测量几遍，以得到较准确的标定结果；注意事项注意事项 1.1.此类传感器对激励电源有何特殊要求？此类传感器对激励电源有何特殊要求？2.2.零点残余电压是怎样产生的？有哪些类型？零点残余电压是怎样产生的？有哪些类型？3.3.分析你所得标定结果中存在的误差。分析你所得标定结果中存在的误差。4.4.差动变压器的测量电路有哪些类型？各有何特点？差动变压器的测量电路有哪些类型？各有何特点？5.5.差差动动变变压压器器在在工工程程实实际际中中主主要要用用于于哪哪些些非非电电量量的的检检测测与与控控制制？、根据实验结果，画出差动变压器的输出特性、根据实验结果，画出差动变压器的输出特性Es=Es=f(xf(x)曲线曲线指出其线性工作范围，求出灵敏度。指出其线性工作范围，求出灵敏度。、根据标定试验结果，作出标定曲线、根据标定试验结果，作出标定曲线v=v=f(xf(x)。并求出灵敏度。并求出灵敏度。、编写实验心得体会。、编写实验心得体会。五、实验报告要求与五、实验报告要求与思考题思考题思考题思考题