1、實驗五 差動變壓器的性能實驗一、實驗目的 了解差動變壓器的工作原理和特性。二、基本原理差動變壓器的工作原理是電磁互感原理。差動變壓器的結構如圖51所示，由一個一次繞組1和二個二次繞組2、3及一個銜鐵4組成。差動變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于把二個二次繞組反向串接（同名端相接），以差動電勢輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。當差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖52所示。圖中U1為一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1

2、分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互感相同，因而由一次側激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內(nèi)感應電動勢大于二次繞組L22內(nèi)感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。 圖51差動變壓器的結構示意圖 圖52差動變壓器的等效電路圖在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，

3、所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖52可以看出一次繞組的電流為： 二次繞組的感應動勢為：  由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為： 其有效值為：差動變壓器的輸出特性曲線如圖53所示。圖中E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應電動勢，E2為差動輸出電動勢，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡

4、量差動變壓器性能好壞的重要指標。為了減小零點殘余電動勢可采取以下方法：圖53  差動變壓器輸出特性1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 3、采用補償線路減小零點殘余電動勢。圖54是其中典型的幾種減小零點殘余電動勢的補償電路。在差動變壓器的線圈中串、并適當數(shù)值的電阻電容元件，當調(diào)整W1、W2時，可使零點殘余電動勢減小。(a) (b) (c) 圖54  減小零點殘余電動勢電路簡單的原理說明：差動變壓器

5、由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結構。當差動變壓器隨著被測體移動時差動變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應電勢增加，另一只感應電勢則減少，將兩只次級反向串接（同名端連接），就引出差動電勢輸出。其輸出電勢反映出被測體的移動量。三、實驗設備與器件單元主機箱中的±15V直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟1、將差動變壓器和測微頭安裝在實驗模板的支架座上，差動變壓器的原理圖已印刷在實驗模板上，L1為初

6、級線圈；L2、L3為次級線圈；號為同名端，如下圖55。 圖55 差 動變壓器性能實驗安裝、接線圖2、按圖55接線，差動變壓器的原邊的激勵電壓必須從主機箱中音頻振蕩器的Lv端子引入，檢查接線無誤后合上總電源開關，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為45KHz，調(diào)節(jié)輸出幅度峰峰值為Vp-p2V（用示波器監(jiān)測）。3、調(diào)節(jié)變壓器鐵芯大約處在變壓器的中間位置先調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，讓測微頭的起始刻度大約處在10mm 附近的合適位置，保證實驗時測微頭向左右兩個方向都有充裕的位移距離；并用數(shù)字示波器的第二通道（探頭設在1X位置，并在通道菜單里把倍乘數(shù)也設為1X）監(jiān)測電路的3、4端點輸出信號波形的電壓；然后松開測微頭的安裝緊

7、固螺釘，移動測微頭的安裝套（也就是移動整個測微頭，而不是只調(diào)節(jié)微分筒，這樣做是為了保證測微頭的起始刻度大約處在10mm 的合適位置），通過觀測示波器第二通道顯示的輸出波形，當輸出信號波形的Vp-p比較小時，則變壓器鐵芯接近變壓器的中間位置，然后擰緊緊固螺釘。4、微調(diào)變壓器鐵芯至變壓器的中間位置并測量零點殘余電壓先把數(shù)字示波器的采樣模式設置為16次的平均值采樣。緊接上一步驟，仔細調(diào)節(jié)測微頭的微分筒使示波器第二通道輸出波形的Vp-p達到最小值，則變壓器鐵芯處在了變壓器的中間位置，記錄下此時輸出波形的最小Vp-p值（不大于3mV），此最小Vp-p就是差動變壓器的零點殘余電壓；并把此位置定為位移的相對

8、零點，記住此位置的刻度值（如果此時微分筒和軸套的刻度線沒對齊，可以微調(diào)對齊以得到比較準確的起始刻度，方便下面的位移讀數(shù)）。5、差動變壓器的位移實驗這時變壓器鐵芯可以左右位移（0點左邊為負方向，右邊為正方向），選擇一個方向，從Vp-p最小處開始旋動測微頭的微分筒，每隔0.2mm（取15個點，共3mm）從示波器上讀出一個輸出電壓Vp-p值，填入下表5；然后將測位頭退回到Vp-p最小處開始反方向做相同的位移實驗（也取15個點，共3mm；兩個方向加上零點總共要讀取31個點的數(shù)據(jù)）。在實驗過程中請注意：（1）從Vp-p最小處決定位移方向后，測微頭只能按所定方向調(diào)節(jié)位移，中途不允許回調(diào)，否則，會由于測微頭

9、存在機械回差而引起位移誤差；所以，實驗時每點位移量須仔細調(diào)節(jié)，絕對不能調(diào)節(jié)過量，如過量則只好回到零點重新做實驗。（2）當一個方向行程實驗結束，做另一方向時，測微頭回到Vp-p最小處時它的位移讀數(shù)有變化是正常的（實際上很難回到原來的起始位置），做實驗時位移取相對變化量0.2mm為定值，只要中途測微頭不回調(diào)就不會引起位移誤差。（3）在Vp-p最小處可以假設此處的刻度為0,不用記錄實際的刻度值，這樣比較方便靈敏度和非線性誤差的計算。6、根據(jù)表5畫出實驗的XVop-p曲線，并與圖53差動變壓器的輸出特性曲線做比較，分析評價實驗結果。7、以位移零點為起點，計算位移距離分別為1mm、1mm及3mm、3mm

10、時的靈敏度和非線性誤差（計算靈敏度和非線性誤差時可以忽略零點殘余電壓）。X(mm)-3-2.8-2.6-2.4-2.2-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20V(mv)107098488880871663655648040031824616691.21861040X(mm)0.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.83V(mv)84.810216426033844053262872684894410301120122013108、實驗完畢，關閉電源，整理好實驗臺上的實驗物品。表5 （請自制合適的表格用于填寫實驗數(shù)據(jù)）五.思考題查

11、閱傳感器相關理論知識，說明什么是差動變壓器的零點殘余電動勢？如何產(chǎn)生？如何減少零點殘余電動勢和它的影響？結合你在本次實驗中測得零點殘余電動勢的多少，以及靈敏度和非線性誤差的計算結果，評價實驗所用傳感器的性能。在沒有輸入信號時，通過調(diào)節(jié)平衡旋扭，使輸出最小，這一最小電壓就是它的零點殘余電壓。是由于器件的各種參數(shù)不對稱造成的。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生零點殘余電壓的原因大致有如下兩點：（1）由于兩電感線圈的電氣參數(shù)及導磁體幾何尺寸不完全對稱，在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成零點殘余電壓的基波分量。（2）由于傳感器導磁材料磁化曲線的非線性（如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵電流與磁通波形不一致，從而形成

12、零點殘余電壓的高次諧波分量。殘余電動勢大概為2mv左右由上圖可知靈敏度和非線性誤差分別為傳感器性能：六、誤差分析分析本次實驗過程中導致測量結果產(chǎn)生誤差的各種原因和減少誤差的方法。1.調(diào)零沒有調(diào)準，示波器比較落后。2.傳感器存在非線性誤差3.溫度影響了結果4.測微頭有誤差實驗六 激勵頻率對差動變壓器特性的影響一、實驗目的了解初級線圈激勵頻率對差動變壓器輸出性能的影響。二、基本原理差動變壓器的輸出電壓的有效值可以近似用關系式：=表示,式中LP、RP為初級線圈電感和損耗電阻，、為激勵電壓和頻率，M1、M2為初級與兩次級間互感系數(shù)，由關系式可以看出，當初級線圈激勵頻率太低時，若RP22LP2，則輸出電

13、壓Uo受頻率變動影響較大，且靈敏度較低，只有當2LP2RP2時輸出Uo與無關，當然過高會使線圈寄生電容增大，對性能穩(wěn)定不利。三、需用器件與單元主機箱、差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟1、差動變壓器及測微頭的安裝、接線同實驗五圖55，檢查接線無誤后，合上主機箱電源開關。2、調(diào)節(jié)主機箱音頻振蕩器LV輸出頻率為2KHZ，Vp-p2V(用示波器監(jiān)測)。調(diào)節(jié)差動變壓器的鐵芯大約處在線圈的中心位置，即此時電路的3、4端點輸出信號的Vp-p要比較小(用示波器監(jiān)測)。（方法與實驗五步驟3相同，注意調(diào)節(jié)測微頭的位置大約處在刻度的中間位置，不要太偏向一端。）3、向任一方向調(diào)節(jié)測微頭

14、讓差動變壓器的鐵芯做位移，位移量2.5mm（即是測微頭旋動5圈），使差動變壓器有某個較大的Vp-p輸出，記錄下此Vp-p輸出，并填入表6的第一格。4、在保持位移量2.5mm不變的情況下，改變激勵信號（音頻振蕩器）的頻率從3KHz10KHz（激勵電壓Vp-p2保持不變，可用主機箱的頻率表監(jiān)測頻率的變化）時，記錄差動變壓器相應輸出的Vp-p值，填入表6。表6F(Hz)2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHz10KHzVpp(mv)226340452554218965238325、根據(jù)表6的數(shù)據(jù)作出差動變壓器的幅頻(Vp-p)特性曲線，標出大致的諧振點。由圖知

15、K=5kHz時是位移量2.5mm時差動變壓器的諧振點6、實驗完畢，關閉電源，整理好實驗臺上的實驗物品。五、思考題 你認為檢測頻率特性對差動變壓器的應用有什么意義？在相同位移量的條件下，改變激勵信號的頻率，差動變壓器輸出的電動勢不同。為了提高差動變壓器的靈敏度，需將激勵信號的的頻率設置在差動變壓器的諧振點處實驗七 位移實驗中被測體材質(zhì)對電渦流傳感器特性影響一、實驗目的1、了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。2、了解不同的被測體材料對電渦流傳感器性能的影響。二、基本原理通過交變電流的線圈產(chǎn)生交變磁場，當金屬體處在交變磁場時，根據(jù)電磁感應原理，金屬體內(nèi)產(chǎn)生電流，該電流在金屬體內(nèi)自行閉合，并呈旋

16、渦狀，故稱為渦流。渦流的大小與金屬導體的電阻率、導磁率、厚度、線圈激磁電流頻率及線圈與金屬體表面的距離等參數(shù)有關。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分磁場能量，從而改變激磁線線圈阻抗，渦流傳感器就是基于這種渦流效應制成的。電渦流工作在非接觸狀態(tài)(線圈與金屬體表面不接觸)，當線圈與金屬體表面的距離以外的所有參數(shù)一定時可以進行位移測量。 渦流效應與金屬導體本身的電阻率和磁導率有關，因此不同的材料就會有不同的性能。三、需用器件與單元主機箱、電渦流傳感器實驗模板、電渦流傳感器、測微頭、被測體(鐵圓片、鋁圓片和銅圓片)。四、實驗步驟1、觀察傳感器結構，這是一個平繞線圈。測微頭的讀數(shù)與使用可參閱實驗四；根據(jù)圖7安

17、裝電渦流傳感器和測微頭，并在測微頭上套上鐵圓片被測體，按下圖接線。圖7 電渦流傳感器安裝、按線示意圖2、 移動測微頭使鐵被測體比較靠近傳感器（但不接觸），擰緊測微頭緊固螺釘，然后調(diào)節(jié)測微頭使鐵被測體與傳感器端部輕輕接觸（但不能緊壓），測微頭所處位置當做零坐標起點（不記錄具體刻度）。將電壓表顯示選擇開關切換到20V檔，檢查接線無誤后開啟主機箱電源開關，從電壓表記錄輸出電壓。 3、接著旋動測微頭，讓鐵被測體逐漸離開電渦流傳感器，每隔0.1mm讀一個輸出電壓值，共測量5mm有效的位移距離，將數(shù)據(jù)列入表71。（鐵被測體的前面一小段位移輸出讀數(shù)都是0，忽略不計，從第一個非0輸出開始讀數(shù)。）表71 被測體

18、為鐵圓片時位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)（請自制合適的表格用于填寫實驗數(shù)據(jù)）由圖知，中心點大概在3.9處4、將被測體換成銅圓片，并把測微頭的刻度退回到較前的位置，重復鐵圓片測量步驟（從0位移的第一個輸出電壓開始讀數(shù)），進行銅被測體的位移特性測試，將數(shù)據(jù)列入表72。表72 被測體為銅圓片時的位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)（請自制合適的表格用于填寫實驗數(shù)據(jù)）故可知中心點大概在1.6,約為0.0115、將被測體換成鋁圓片，并把測微頭的刻度退回到較前的位置，重復鐵圓片出來步驟（從0位移的第一個輸出電壓開始讀數(shù)），進行鋁被測體的位移特性測試，將數(shù)據(jù)列入表73。表73 被測體為鋁圓片時的位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)（請自制合適的表格用于填寫實驗數(shù)據(jù)）由圖知中心點大概為1.36、根據(jù)以上三個表中的數(shù)據(jù)，畫出被測體分別為鐵、銅、鋁的XV曲線，根據(jù)不同曲線找出各自最理想的線性區(qū)域（大約1mm左右）及位移測量時的最佳工作點(即曲線線性段的中點)，并計算在線性段內(nèi)測量范圍為1mm和以線性段為中心左右延伸至3mm時這兩個測量線段的位移靈敏度和線性度。（注：如果線性段在測量數(shù)據(jù)的開頭或結尾，則3mm的長度由線性段向一個方向延伸截取。從經(jīng)驗上總結得出：鐵被測體的線性區(qū)在數(shù)據(jù)的中間段，銅和鋁被測體的線性區(qū)都是在數(shù)據(jù)的前段。）7、根據(jù)實驗結果，總結不同被測