差动变压器的性能及零点残余误差消除实验

实验三 差动变压器系列实验1.差动变压器基本性能实验：根据实验电路图连接好电路，设置音频振荡器输出频率为5KHz ，输出值Vp-p 为2V 。

原始数据记录表： 位 移(mm) -0.8 -0.6 -0.4-0.20 0.2 0.4 0.6 0.81.0 电 压(V)0.1810.1430.095 0.0520.0260.0570.1020.1470.1960.230根据表格中数据，画出V —X 曲线：0.050.10.150.20.25位移（mm）电压（V ）2. 差动变压器性能参数的标定：根据实验电路图连接好电路：旋动测微头，带动衔铁向上5mm ，向下5mm 位移，每旋一周（0.5mm ）记录一电压值并填入表格:位移/mm （向上） 3.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.0 电压（V ） 4.62 4.60 4.43 4.00 3.62 3.23 2.65 2.00 1.45 0.89 0.23 0.76 1.42 位移/mm （向下） 8.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.0电压（V ）0.220.751.432.102.633.153.624.064.304.514.60--0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.40.6 0.8 1.0由上表可知，当位移在8mm时，有最小电压值0.23V。

四、误差分析：由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等等因素，存在零点残余电动势，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差。

差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：差动变压器的工作原理电磁互感原理。

差动变压器的结构如图所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。

差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。

由于把二个二次绕组反向串接（＊同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。

当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图所示。

图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。

对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。

由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。

当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，差动变压器的结构示意图差动变压器的等效电路图因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。

在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。

同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。

因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

由图可以看出一次绕组的电流为：二次绕组的感应动势为：由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：其有效值为：差动变压器的输出特性曲线如图所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。

其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。

E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。

实验四差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：差动变压器同一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接(同名端连接)，就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器，音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。

四、实验步骤：1、根据图3-1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图3-1 差动变压器电容传感器安装示意图2、在模块上近图3-2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的L v端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4～5KHz(可用主控箱的数显表的频率档Fin输入来监测)。

调节幅度使输出幅度为峰一峰值V p-p=2V(可用示波器监测：X轴为0.25ms/div、Y轴CH1为1V/div、CH2为20mv/div)。

判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3-2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级圈波形(L v音频信号V p-p=2V波形)比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图中(1)、(2)、(3)、(4)为模块中的实验插孔。

图3-2 双线示波与差动变压器连结示意图3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰一峰值V p-p为最小。

这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一方向移为负。

从V p-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压V p-p值填入下表(3-1)。

实 验 报 告实验项目名称：差动变压器的性能 同组人试验时间 年 月 日，星期 ， 节 实验室 K2，508传感器实验室 指导教师一、 实验目的了解差动变压器原理、位移特性、零点残余电压补偿方法、振动测量的方法。

二、 实验原理差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量得变化。

这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器。

图2.1 螺线管式差动变压器如图2.1所示，1-活动衔铁；2-导磁外壳；3-骨架；4-匝数为W 1初级绕组；5-匝数为W 2a 次级绕组；6-匝数W 2b 次级绕组。

设1U ∙为一次一次绕组激励电压；1M 、2M 分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感；1L 为一次绕组的电感；1r 为一次绕组的有效电阻。

当次级开路时，初级线圈激励电流为：1111U I r j L ω∙∙=+根据电磁感应定律，两个次级绕组的感应电动势分别为：211a E j M I ω∙∙=-、221b E j M I ω∙∙=-次级绕组反相串联后的电势差为：12122211()a b j M M U U E E r j L ωω∙∙∙∙-=-=-+由上面公式可得差动变压器输出电压特性，如图2.2图2.2 差动变压器输出电压特性曲线差动变压器往往会产生零点残余电压，主要原因是：1、由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。

2、由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能相互抵消。

为减小零点残余电压，我们一般会做如下措施：1、在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，铁芯材料均匀。

2、在电路上进行补偿，一般会加串联电阻、并联电容、反馈电阻或反馈电容等。

三、所需单元及部件：1、STIM-01模块、STIM-08模块、STIM-02模块、STIM-03模块、差动变压器。

2、1-10KHZ音频信号、1-30HZ低频信号、示波器。

传感器实验报告陈晓东 12061302实验三 差动变压器性能、零残及补偿、标定实验一、 差动变压器性能实验目的：了解差动变压器的原理及工作情况。

实验准备：预习实验仪器和设备：音频振荡器、测微头、双踪示波器、差动式电感。

实验原理：交流电通过偶合的线圈产生感应电势。

实验注意事项：旋钮初始位置是，音频振荡器4KHz ～6 KHz 左右，幅度适中，双踪示波器第一通道灵敏度500mV/cm ，第二通道灵敏度10mV ／cm 。

其它还须注意的事项有： （1）差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电源输出插口（LV 插口）输出。

（2）差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式，即，两个同名端短接，另两个同名端则构成输出。

（3）差动变压器与激励信号的连线应尽量短一些，以避免引入干扰。

实验内容：（1） 按图5接线，音频振荡器必须从LV 接出，LV 、GND 接差动式电感的Li ，2个L0构成差 动输出。

图 5 差动变压器接线方式（2）调整音频振荡器幅度旋钮，观察第一通道示波器，使音频LV 信号输入到初级线圈的电 压为VPP ＝2伏。

（3）调整测微头，使衔铁处于中间位置M （此时输出信号最小），记下此时测微头的刻度 值填入下表（4）旋动测微头，从示波器第二通道上读出次级差动输出电压的峰一峰值填入下表：*如果第二通道的信号实在太弱，可先接差放再行观察。

读数过程中应注意初、次级波形的相位关系：当铁芯从上至下过零位时,相位由 同 （同、反）相变为 反 （同、反）相；再由下至上过零位时，相位由反相变为同相；（5）仔细调节测微头使次级的差动输出电压为最小，必要时应将通道二的灵敏度打到最高档，这个最小电压叫做零点残余电压，可以看出它的基波与输入电压的相位差约为 90度。

(6) 根据所得结果，画出（Vop-p一X）曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度：76.50mV/mm，更一般地，由于灵敏度还与激励电压有关，因此：19.125mV/mm二、差动变压器零点残余电压的补偿实验目的：了解零点残余电压的补偿及其方法。

实验三-差动变压器的性能实验1：差动变压器位移测量实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性二、实验原理差动变压器由一个初级线圈和二个次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、实验器械主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。

四、实验电路以及接线图五、实验数据及处理X为差动变压器衔铁在线圈中移动的距离，X>0为衔铁正向移动，X<0为衔铁反向移动V p-p为次级输出电压，初级输入电压为Vi=3V,f=4.5kHz的正弦波。

由数据和图像可得零点残余电压为80mV。

实验数据如下：数据拟合如下：左侧红线为衔铁反向移动，右侧蓝线为衔铁正向移动。

横轴为衔铁的位移量，单位为mm。

纵轴为次级线圈输出电压值，单位为mV。

正向移动拟合直线方程为y=457.03x+45.143反向移动拟合直线方程为y=-460x+47灵敏度和非线性误差分析：X=+1mm时，灵敏度为500.00(V/m)，非线性误差为0.125%X=-1mm时，灵敏度为500.00(V/m)，非线性误差为0.933%X=+3mm时，灵敏度为466.66(V/m)，非线性误差为0.402%X=-3mm时，灵敏度为473.33(V/m)，非线性误差为0.402%六、思考题差动式变压器和一般电源变压器的异同？相同点：两种变压器均采用电磁感应原理作为工作原理，变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

它可以变换交流电压、电流和阻抗。

不同点：差动变压器是将非电量的位移变化变换成线圈的互感变化，它本身是一种互感式变压器。

实验十差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。

四、实验步骤：1、根据图3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图3－1差动变压器电容传感器安装示意图2、在模块上按图3－2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz （可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：X 轴为0.2ms/div）。

图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。

接线时，航空插头上的号码与之对应。

当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。

判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3－2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图中（1）、（2）、（3）、（4）为实验模块中的插孔编号。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3－1，再人Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

一、实验目的1、了解差动变压器的基本结构。

2、掌握差动变压器及整流电路的工作原理。

3、掌握差动变压器的调试方法。

二、实验原理1、差动变压器由一个初级线圈和两个次级线圈及一个铁芯组成，当铁芯移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化使次级线圈的感应电势产生变化，一个次级线圈的感应电势增加，另一个则减少，将两个次级线圈反向串接，就可以引出差值输出，其输出电势反映出铁芯的位移量。

2、差动变压器实验电路图如图1-1所示。

图1-1传感器的两个次级线圈(N2、N3)电压分别经 UR1、UR2两组桥式整流电路变换为直流电压，然后相减，经过差动放大器放大后，由电压表显示出来R1、R2为两桥臂电阻，RP1为调零电位器，R3、R4、C1组成滤波电路，R5为负载电阻，采用这种差动整流电路可以减少零点残余电压。

三、实验过程与数据处理1.固定好位移台架，将电感式传感器置于位移台架上。

调节测微器使其指示12mm左右，将测微器装入台架上部的开口处，再将测微器的测杆与电感式传感器的可动铁芯旋紧。

然后调节两个滚花螺母，使铁芯离开底面 10mm，注意要使铁芯能在传感器中轻松滑动，再将两个滚花螺母旋紧。

2.差动放大器调零，用导线将差动放大器的正负输入端连接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；按下面板上电压量程转换开关的20V档按键（实验台为将电压量程拨到20V 档）；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮使电压表指示向零趋近，然后换到2V量程，旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器 RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。

3.按图1-1将信号源的两输出端 A，B接到传感器的初级线圈N1上，传感器次级线圈 N2、N3分别接到转换电路板的 C、D 与 H、I上，并将F与L用导线连接，将差动放大器与数字电压表连接好。

这样构成差动变压器实验电路。

4、接通电源，调节信号源输出幅度电位器RP2到较大位置，平衡电位器RP1处于中间位置，调节测微器使输出电压接近零，然后上移或下移测微器 1mm，调节差动放大器增益使输出电压的值为300mV左右，再回调测微器使输出电压为 0mV。

实验三差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。

四、实验步骤：1、根据图3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图3－1差动变压器电容传感器安装示意图2、在模块上按图3－2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div）。

图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。

接线时，航空插头上的号码与之对应。

当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。

判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3－2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图中（1）、（2）、（3）、（4）为实验模块中的插孔编号。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.5mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3－1，再人Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。