差动变压器电感式传感器（互感式）工作原理、基本特性与测量电路（二）

差动变压器电感式传感器（互感式）工作原理、基本特性与测量电路（二）

本文件详细阐述了螺线管式差动变压器的工作原理、基本特性（含数学推导）以及测量电路，重点分析了差动整流电路消除零点残余电压的原理及其局限性。

工作原理

螺线管式差动变压器由位于中间的一次绕组、两个反向串接的二次绕组和插入绕组中央的圆柱形衔铁组成。在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，当一次绕组加上激励电压时，两个二次绕组中产生感应电动势。衔铁处于初始平衡位置时，互感系数相等（M₁ = M₂），感应电动势相等，因反向串接，输出为零。衔铁上移时，上部磁阻减小，M₁ > M₂，上部感应电动势增加；衔铁下移时反之。输出电压随衔铁位移变化，但由于零点残余电压的存在，衔铁位于中心位置时输出电压并不为零。

基本特性

根据等效电路，当二次侧开路时，输出电压有效值表达式为：

• 衔铁位于中间位置（Δx = 0）：M₁ = M₂，Uₒ = 0（理想情况）。
• 衔铁位于中间位置以上（Δx > 0）：M₁ = M + ΔM，M₂ = M - ΔM，Uₒ = 2ωΔMUᵢ/√(r₁² + (ωL₁)²)，输出电压与输入电压同频同相。
• 衔铁位于中间位置以下（Δx < 0）：M₁ = M - ΔM，M₂ = M + ΔM，Uₒ = -2ωΔMUᵢ/√(r₁² + (ωL₁)²)，输出电压与输入电压同频反相。

输出电压的幅值反映位移大小，相位反映位移方向。

测量电路

差动变压器输出交流电压，且存在零点残余电压。用交流电压表测量只能反映位移大小，不能反映方向，也不能消除零点残余电压。常用差动整流电路和相敏检波电路来辨别位移方向和消除零点残余电压。

差动整流电路

差动整流电路将两个二次输出电压分别整流，然后将经整流的电压或电流的差值作为输出。以图4-15b为例，无论两个二次绕组的输出瞬时电压极性如何，流经电容C₁的电流方向总是从2端到4端，流经电容C₂的电流方向总是从6端到8端，输出电压Uₒ = U₂₄ - U₆₈。

• 衔铁位于中间位置：U₂₄ = U₆₈，Uₒ = 0。
• 衔铁位于零位以上：U₂₄ > U₆₈，Uₒ > 0。
• 衔铁位于零位以下：U₂₄ < U₆₈，Uₒ < 0。

差动整流电路只能根据Uₒ的符号判断衔铁的位置在零位处、零位以上或以下，但不能判断运动的方向。电阻R₀作为电位器用于消除零点残余电压。