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3.2 差动变压器
差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量
的变化 。 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
器式传感器 。
变隙式
变面积式
螺线管式
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(a),(b) 变隙式差动变压器；
(c),(d) 螺线管式差动变压器；
(e),(f) 变面积式差动变压器
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差动变压器
3.2.1 变隙式差动变压器
3.2.2 螺线管式差动变压器
3.2.3 差动变压器应用
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3.2.1 变隙式差动变压器
当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出
互感变化时，输出电压将作相应变化
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两个初级绕组的同名端顺向串联,
而两个次级绕组的同名端则反向串联。
当没有位移时，衔铁 C处于初始平衡位置,
它与两个铁芯的间隙为 δ a0 =δ b0=δ 0
两个次级绕组的互感电势相等，即 e2a=e2b。
由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压
当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化,
使 δ a≠ δ b
两次级绕组的互感电势 e2a≠ e2b，输出电压
电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理,
使最终输出电压的极性能反映位移的方向。
0222 ??? ba eeU?
0222 ??? ba eeU?
1,工作原理
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２,输出特性
.
1
1
2
.
2 UW
W
U
ab
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如果被测体带动衔铁移动
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1
1
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U
W
W
U
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0
1
1
22
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U
W
WU
K ?
?
?
图 3.2.3 变隙式差动变压器输出特性
１ 理想特性；２ 实际特性
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结论,
（ １ ） 供电电源首先要稳定, 电源幅值的适当提高可以提
高灵敏度 K值 ;
（ ２ ） 增加 W2/W1的比值和减少 δ0都能使灵敏度 K值提高 ;
（ ３ ） 以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容
条件下得到的 ;
（ ４ ） 以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的,
而实际上很难做到这一点 ;
（ ５ ） 上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的 。
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３,２,２螺线管式差动变压器
1,工作原理
2,基本特性
3,主要性能
4,零点残余电压及消除方法
5,转换电路
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１, 工作原理
１ -活动衔铁；２ -导磁外壳；
３ -骨架；４ -匝数为 W1初级绕组；
５ -匝数为 W2a的次级绕组；
６ -匝数为 W2b的次级绕组
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图 3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线
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２, 基本特性
当次级开路时有,初级线圈激励电流
11
1
1 Ljr
UI
???
??
根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为
112 IMjE a ?? ??? 122 IMjE b ?? ???
次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则
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11
121
222 Ljr
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121
2
Lr
UMM
U
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?
?
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输出电压有效值
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基本特性分析,
（ 1） 当活动衔铁处于中间位置时
M1= M2=M
则 U2=0
（ 2） 当活动衔铁向 W2a方向移动时
M1= M+ΔM,M2= M-ΔM
故
（ 3） 当活动衔铁向 W2b方向移动时
M1= M-ΔM,M2= M+ΔM
故
? ? 2121
1
2
2
Lr
MUU
?
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2
2
Lr
MUU
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３, 主要性能
（ 1） 灵敏度
（ 2） 线性度
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（ 1）灵敏度
差动变压器在单位电压激励下, 铁芯移动一个单
位距离时的输出电压, 以 V/mm/V表示 。
理想条件下，差动变压器的灵敏度 KE正比于电
源激励频率 f,
图 3.2.7 KE与 f关系曲线
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提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。
除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外,
提高线圈品质因数 Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好,
铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等
可以提高灵敏度。
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（ 2）线性度
线性度, 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差
除以测量范围 （ 满量程 ）, 并用百分数来表示 。
影响差动变压器线性度的因素,
骨架形状和尺寸的精确性, 线圈的排列, 铁芯的尺寸和
材质, 激励频率和负载状态等 。
改善差动变压器的线性度,
取测量范围为线圈骨架长度的 1/10-1/4,激励频率采用
中频, 配用相敏检波式测量电路
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4,零点残余电压及消除方法
零点残余电压危害,
使传感器输出特性在零点附近的范围内
不灵敏，限制着分辨力的提高。
零点残余电压太大，将使线性度变坏，
灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵
塞有用信号通过，致使仪器不再反映被
测量的变化。
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产生零点残余电压的原因
（ 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, 不能互相抵消 。
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减小零点残余电压措施,
（ 1） 在设计和工艺上, 力求做到磁路对称, 线圈对称 。
铁芯材料要均匀, 要经过热处理去除机械应力和改善
磁性 。 两个二次侧线圈窗口要一致, 两线圈绕制要均
匀一致 。 一次侧线圈绕制也要均匀 。
（ 2） 采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压 。 其思路
是, 由于两个二次侧线圈的等效参数不相等, 用拆圈
的方法, 使两者等效参数相等 。
（ 3） 在电路上进行补偿 。 线路补偿主要有：加串联电阻,
加并联电容, 加反馈电阻或反馈电容等 。
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补偿零点残余电压的电路
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5,转换电路
能辨别移动方向
消除零点残余电压
（ 1） 差动整流电路
（ 2） 相敏检波电路
（ 3） 直流差动变压器电路
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（ 1）差动整流电路
(a),(b)适用于高阻抗负载
(c),(d)适用于低阻抗负载
电阻 R0用于调整零点残余电压。
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（ 2）相敏检波电路
（ a）相敏检波电路原理图；
（ b） us,u2为正半周时等效电路； (c) us,u2为负半周时等效电路
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相
敏
检
波
电
路
波
形
(a）被测位移变化波形图；
(b)差动变压器激励电压波形；
(c) 差动变压器输出电压波形；
(d)相敏检波解调电压波形；
(e)相敏检波输出电压波形
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（ 3）直流差动变压器电路
应用场合,
需要远距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器,
且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合 。
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3.2.3 差动变压器应用
1,力和力矩的测量
2,微小位移的测量
3,压力测量
4,加速度传感器
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1,力和力矩的测量
1－线圈
2－衔铁
3－弹性元件
优点,承受轴向力时应力分布均匀；
当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。
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2,微小位移的测量
1－测端
2－防尘罩
3－轴套
4－圆片簧
5－测杆
6－磁筒
7－磁芯
8－线圈
9－弹簧
10－导线
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3,压力测量
微压力传感器
1-接头； 2-膜盒；
3-底座； 4-线路板；
5-差动变压器线圈；
6-衔铁； 7-罩壳；
8-插头； 9-通孔
传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合,
可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计
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4,加速度传感器
1 －悬臂梁；
2 －差动变压器
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