差動變壓器零殘電壓的補償

摘要： 本文主要通過對差動變壓器的結構組成和工作原理的分析，介紹了零點殘余電壓產生的原因及其對測量造成的不良影響，并給出了抑制零點殘余電壓的方法。

關鍵詞： 差動變壓器 零點殘余電壓 補償 整流電路 相敏檢波電路

差動變壓器由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵，相當于變壓器的原邊，次級線圈由兩個結構尺寸和參數相同的線圈反向串聯，相當于變壓器的副邊，差動變壓器是開磁路，工作是建立在互感基礎上的。在忽略鐵損、導磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如圖1所示。當初級繞組ω 被加以激勵電壓U 時，根據變壓器的工作原理，在兩個次級繞組ω 和ω 中便會產生感應電勢E 和E 。如果工藝上保證變壓器結構完全對稱，則當活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然會使兩互感系數M =M 。根據電磁感應原理，將有E =E 。由于變壓器兩次級繞組反向串聯，因而U =E -E =0，即差動變壓器輸出電壓為零。

當活動銜鐵向上移動時，由于磁阻的影響，ω 中的磁通將大于ω ，使M ＞M ，因而E 增加，E 減小；反之，E 增加，E 減小。因為U =E -E ，所以當E 、E 隨著銜鐵位移x變化時，U 也將隨著x變化。圖2是變壓器輸出電壓U 與活動銜鐵位移x的關系曲線。實際上，當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作U 。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不過零點，造成差動變壓器零點附近的不靈敏區，造成實際特性與理論特性不完全一致，影響電路正常工作。零點殘余電壓產生主要是因傳感器的兩次級繞組的電氣參數與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。零點殘余電壓的波形十分復雜，主要由基波和高次諧波組成。基波產生的原因主要是傳感器的兩次級繞組的電路參數（M、L、R）、幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。高次諧波主要是由于磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）引起的，由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使激勵電流與磁通波形不一致，產生了非正弦波（主要是三次諧波）磁通，從而在二次繞組中感應出非正弦波的電動勢。零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應設法減小，否則將會影響傳感器的測量結果。

減小零點殘余電壓的辦法有：

1.從設計和工藝制作上盡量保證線路和磁路的對稱

提高框架和線圈的對稱性；正確選擇磁路材料，同時適當減小線圈的勵磁電流，使銜鐵工作在磁化曲線的線性區。

2.減少電源中諧波成份

3.選用補償電路

在線圈上并聯阻容移相網絡，補償相位誤差，如圖3。

該補償電路中音頻信號頻率一定要調整到次級線圈輸出波形基本無失真，否則由于失真波形中有諧波成分，補償效果將不明顯。而且該補償電路要求差動變壓器的輸出必須懸浮，因此次級輸出波形要用差動放大器使雙端輸出轉換為單端輸出。該補償電路簡單有效，經過補償，零點殘余電壓將大幅減小，同時系統靈敏度有所提高，非線性誤差有所下降，將起到很好的補償作用。

4.采用差動整流電路和相敏檢波電路，使零點殘余電壓減小到能夠忽略的程度

差動整流電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，如圖4是典型的差動整流電路之一——全波電壓輸出電路，它適用于交流負載阻抗，其中電阻R0用于調整零點殘余電壓。不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流經電容C1的電流方向總是從2到4，流經電容C2的電流方向從6到8，故整流電路的輸出電壓為：

當銜鐵在零位時，因為U =U ，所以U =0；當銜鐵在零位以上時，因為U ＞U ，則U ＞0；而當銜鐵在零位以下時，則有U ＜U ，則U ＜0。

圖5是相敏檢波電路。差動變壓器輸出的調幅波電壓u 通過變壓器T1加到由四個性能相同的二極管串接形成的環形電橋的一條對角線，參考信號u 通過變壓器T2加到環形電橋的另一條對角線。輸出信號u 從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用，避免二極管導通時變壓器T2的次級電流過大。R 為負載電阻。u 的幅值要遠大于輸入信號u 的幅值，以便有效控制四個二極管的導通狀態，且u 和差動變壓器激磁電壓u 由同一振蕩器供電，保證二者同頻、同相（或反相）。當銜鐵位移△x＞0時，u 與u 為同頻同相，負載R 兩端得到的電壓u 始終為正。當△x＜0時，u 與u 為同頻反相，負載R 兩端得到的電壓u 始終為負。

采用差動整流電路和相敏檢波電路不僅可消除零點殘余電壓，還可起到辨別位移方向的作用。

參考文獻：

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