互感式传感器（差动变压器）

时间：2023-10-11 百科知识版权反馈

【摘要】：互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。它与自感式传感器是一对孪生姐妹，因此两者统称为电感式传感器。本节在叙述差动变压器工作原理的基础上，将着重介绍它与自感式传感器的不同。因此希望差动变压器具有高Q值。不少差动变压器利用“直进-直出”原理将专用芯片或模块安装在传感器壳体内，输出标准信号，用户使用更为方便。自感式传感器的误差分析均适用于差动变压器。

3.3　互感式传感器（差动变压器）

互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。不同的是:后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。它与自感式传感器是一对孪生姐妹，因此两者统称为电感式传感器。本节在叙述差动变压器工作原理的基础上，将着重介绍它与自感式传感器的不同。

图3-22　差动变压器的等效电路

3.3.1　工作原理与类型

在忽略线圈寄生电容与铁心损耗的情况下，差动变压器的等效电路如图3-22所示。

图中，——初级线圈激励电压与电流（频率为ω）；

L₁，R₁——初级线圈电感与电阻；

M₁，M₂——分别为初级与次级线圈1，2间的互感；

L₂₁，L₂₂和R₂₁，R₂₂——分别为两个次级线圈的电感和电阻。

根据变压器原理，传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差:

当衔铁在中间位置时，若两次级线圈参数与磁路尺寸相等，则M＝M＝M，U·＝0。

₁₂o

当衔铁偏离中间位置时，M₁≠M₂，由于差动工作，有M₁＝M＋ΔM₁，M₂＝M-ΔM₂。在一定范围内，ΔM₁＝ΔM₂＝ΔM，差值（M₁-M₂）与衔铁位移成比例。于是，在负载开路情况下，输出电压及其有效值分别为

式中，E_so——衔铁在中间位置时，单个次级线圈的感应电势

输出阻抗

Z＝R₂₁＋R₂₂＋jωL₂₁＋jωL₂₂　　　　　　　（3-56）

差动变压器也有变气隙式、变面积式与螺管式三种类型，如图3-23所示。其中:图（a）、（b）、（c）为变气隙式，灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移；图（d）、（e）为变面积式，除图示E型与四极型外，还常做成八极、十六极型，一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达±10°；图（f）为螺管式，可测量几纳米到一米的位移，但灵敏度稍低。

图3-23　各种差动变压器的结构示意图

（a）、（b）、（c）变气隙式；（d）、（e）变面积式；（f）螺管式

螺管式差动变压器的线圈排列可按二段型（c）和三段型（f）的形式演变成四段型、五段型等多种。

由式（3-53）可知，差动变压器的输出特性与初级线圈对两个次级线圈的互感之差有关。结构型式不同，互感的计算方法也不同。下面以图3 23（a）所示Π型差动变压器为例来推导输出特性。

设Π型铁心的截面S是均匀的，初始气隙为δ₀；两初级线圈顺向串接，匝数均为W₁；两次级线圈反向串接，匝数各为W₂；电源电压为并忽略铁损、漏感；负载阻抗为无穷大。

当衔铁上移Δδ时，上气隙为δ₁＝δ₀-Δδ，下气隙为δ₂＝δ₀＋Δδ，因而上磁路磁阻减小，下磁路磁阻增加。此时，Φ₁＞Φ₂，E₂₁＞E₂₂，输出电压两初次级间的互感为

式中，Ψ₁、Ψ₂——上下铁心次级线圈的磁链；

——上下铁心中由激励电流产生的幅值磁通。

因此可得

在忽略铁心磁阻与漏磁通的情况下，有

式中，G_δ1——上铁心磁路中总的气隙磁导，G_δ1＝μ0/S（2δ₁）；

G_δ2——下铁心磁路中总的气隙磁导，G_δ2＝μ0S/（2δ₂）。

R₁₂、L₁₂、Z₁₂——下初级线圈的电阻、电感和复阻抗，L₁₂＝

将上列各式代入式（3-58）得

该式分母中存在Δδ²项，这是造成非线性的因素。

如果忽略Δδ²项，并设R₁₁＝R₁₂＝R₁，L₀＝上式可改写并整理为

式中，Q——品质因数

由上式可知，输出电压包含两个分量:与电源电压同相的基波分量与正交分量。两分量均与气隙的相对变化有关。Q值提高，正交分量减小。因此希望差动变压器具有高Q值。当Q》1时，则有

图3-24　差动变压器的特性

（a）输出特性；（b）相位特性

上式表明，输出电压与衔铁位移Δδ成比例，输出特性曲线如图3-24所示。式中负号表明Δδ向上为正时，输出电压与电源电压反相；Δδ向下为负时，两者同相。

由式（3-64）可得Π形差动变压器的灵敏度表达式:

可见传感器的灵敏度随电源电压U和变压比W₂/W₁的增大而提高，随初始气隙增大而降低。增加次级匝数W₂与增大激励电压U将提高灵敏度。但W₂过大，会使传感器体积变大，且使零位电压增大；U过大，易造成发热而影响稳定性，还可能出现磁饱和，因此常取0.5～8V，并使功率限制在1VA以下。

由式（3-54）可知，当激励频率过低时，ωL₁《R₁，式（3-54）变成

这时，差动变压器的灵敏度随频率ω而增加。当ω增加使ωL₁》R₁时，式（3-54）变为

图3-25　激励频率与灵敏度的关系

此时，灵敏度与频率无关，为一常数。当ω继续增加超过某一数值时（该值视铁心材料而异），由于导线趋肤效应和铁损等影响而使灵敏度下降（见图3-25）。通常应按所用铁心材料，选取合适的较高激励频率，以保持灵敏度不变。这样，既可放宽对激励源频率的稳定度要求，又可在一定激励电压条件下减少磁通或匝数，从而减小尺寸。

变面积式（如微动同步器）与螺管式差动变压器的输出特性分析，读者可参阅文献［2］［3］。

3.3.2　测量电路

差动变压器虽然也可采用交流电桥作测量电路，但由于它比反串电路（如图3-22所示）输出灵敏度低一倍而不被采用。差动变压器的输出电压是调幅波，为了辨别衔铁的移动方向，需要进行解调。常用的解调电路有:差动相敏检波电路与差动整流电路。采用解调电路还可消减零位电压，减小测量误差。1.差动相敏检波电路

差动相敏检波的形式较多，图3-26是两个实例。相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或相反，因此常接入移相电路。为了提高检波效率，参考电压的幅值常取为信号电压的3～5倍。图中R_ω是调零电位器。对于测量小位移的差动变压器，若输出信号过小，电路中可接入放大器。

图3-26　差动相敏检波电路

（a）全波检波；（b）半波检波

2.差动整流电路

差动整流电路如图3-27所示。这种电路简单，不需要参考电压，不需考虑相位调整和零位电压的影响，对感应和分布电容影响不敏感。此外，由于经差动整流后变成直流输出，便于远距离输送，因此应用广泛。

必须指出，经相敏检波和差动整流输出的信号还必须经低通滤波消除高频分量，才能获得与衔铁运动一致的有用信号。

图3-27　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

3.直流差动变压器电路

在需要远距离测量、便携、防爆及同时使用若干个差动变压器，且须避免相互间或对其他仪器设备产生干扰的场合，常采用直流差动变压器电路如图3-28。这种电路是在差动变压器初级的一端增加了直流电源与多谐振荡器，形成“直进-直出”，从而抑制了干扰。

近年来，由于计算机日益普及，常常希望将传感器输出信号直接输送给计算机，仪表放大器专用芯片或模块应运而生。不少差动变压器利用“直进-直出”原理将专用芯片或模块安装在传感器壳体内，输出标准信号（相当于变送器），用户使用更为方便。这种利用专用芯片或模块输出标准信号的方式，代表了结构型传感器发展的一个方向，在应变式、自感式等传感器中也已得到应用。