一種差動變壓器的應(yīng)用與分析胡萬玉，何璐，賈柄琦（天水電氣傳動研究所，甘肅天水741018）殘余電壓產(chǎn)生的原因，討論了操作手柄結(jié)構(gòu)設(shè)計對零位輸出精度的影響，并給出了解決辦法。

　　1概述隨著機械工業(yè)控制中自動化技術(shù)的日益發(fā)展和自動化程度的日漸提高，可編程控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)的應(yīng)用越來越多。眾所周知，自動檢測與轉(zhuǎn)換、儀表智能化與自動化、傳感器技術(shù)是實現(xiàn)自動控制必不可少的環(huán)節(jié)。差動變壓器以其結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好、靈敏度高、測量精度高、線性度好、輸出穩(wěn)定、輸出曲線光滑、驅(qū)動力小等特點而被廣泛應(yīng)用于上述各種線位移測量與轉(zhuǎn)換、儀表儀器以及傳感器技術(shù)應(yīng)用中。本文介紹一種差動變壓器在給定線位移情況下輸出可控電壓，從而實現(xiàn)某種電氣控制目的的實際應(yīng)用。通過設(shè)計制造、試制調(diào)試、問題解決等，來說明差動變壓器零點殘余電壓對實際應(yīng)用的影響，也討論了差動變壓器幾何形狀、尺寸、電磁參數(shù)對稱性等對零點殘余電壓的影響。

　　2差動變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理差動變壓器的工作原理是將非電量位移變化變換成線圈互感變化，它本身是一種互感式變壓器。當(dāng)變壓器的互感量隨位移的變化而變化時，輸出電壓將相應(yīng)發(fā)生變化。常用的螺旋式差動變壓器是由銜鐵、一次線圈、二次線圈和線圈骨架組成（如所示）。一次線圈作為變壓器激勵用，二次線圈由兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)相同的線圈反向串接而成。二次線圈因互感產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其感應(yīng)電勢的理論計算式如下：差動變壓器結(jié)構(gòu)與原理及磁路尺寸相等，則M1=M2=M，可得：差動工作狀態(tài)，M1=M+AM，M2=M-AM.在一定范圍內(nèi)，差值A(chǔ)M與銜鐵軸向位移X成正比。在負(fù)載開路的情況下，其輸出電勢為：次線圈的激勵電壓；E21、E22分別為兩個二次線圈的感應(yīng)輸出電勢；E為差動輸出電勢；X軸上所示為銜鐵偏離中心位置的距離。其輸出電勢與銜鐵位移之間的關(guān)系如所示。

　　3差動變壓器應(yīng)用實例我們設(shè)計制造的被命名為操作手柄的器件，是在差動變壓器的上部通過一個凸輪機構(gòu)傳遞給銜鐵一定的線位移，從而實現(xiàn)差動變壓器輸出相應(yīng)的電壓值。電氣性能要求為輸入50Hz、220V交流電壓，當(dāng)手柄在0~90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動時，輸出電壓能在0~24V范圍內(nèi)均勻變化。

　　其結(jié)構(gòu)形式如所示。手柄1與凸輪2通過鍵連接固定在橫穿于基座3的軸上，手柄的初始位置及角度行程可通過調(diào)整螺釘13調(diào)節(jié)，便于輸出值的調(diào)整與手柄初始定位，凸輪上設(shè)有復(fù)位彈簧，可使手柄復(fù)位；銜鐵部件5的前端是一頭部嵌有可轉(zhuǎn)動滾珠的圓柱體，該圓柱體與通過螺釘連接于基座3的支承件4的沉孔面形成可動配合，銜鐵通過螺紋連接于圓柱體上，在彈簧6作用下可自由作往返運動；銜鐵部件5通過滾珠與凸輪2邊緣緊貼，可減小摩擦，使得銜鐵驅(qū)動靈活；線圈骨架的一端卡在支承件4的凹槽里，另一端用設(shè)有凹槽的壓板8通過固定螺桿12壓緊；外殼是一前端與支承件4螺紋連接、后端有底蓋10的圓筒9，進出線通過固定在底蓋10上的電纜引入裝置11而被引入。該器件結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，外殼材料為不銹鋼或黃銅，鋼材經(jīng)過表面光亮鍍鎳處理，外觀精致，各螺紋連接處都設(shè)有密封圈，防護等級可達到IP44以上。

　　在設(shè)計凸輪2時，將其轉(zhuǎn)角與位移按所示的特性曲線關(guān)系進行設(shè)計，當(dāng)轉(zhuǎn)角在9（T范圍內(nèi)變化時，位移在18mm范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角呈線性變化。

　　使用時，當(dāng)手柄1扳過角度+時，凸輪2也轉(zhuǎn)過同樣角度A銜鐵部件5在凸輪2的推動下帶動銜鐵在線圈軸線方向產(chǎn)生相應(yīng)的線位移S，從而兩副邊線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓差E，其輸出電壓E與位移S關(guān)系如所示，接近線性關(guān)系。因此，其輸出電壓E與轉(zhuǎn)角+基本成線性關(guān)系，能滿足設(shè)計要求。

　　4應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題及解決方案理論上，當(dāng)差動變壓器銜鐵處于線圈中間位置時，兩個二次線圈的感應(yīng)電壓應(yīng)該大小相等，方向相反，輸出合成電勢應(yīng)為零。但實際上由于多種因素的影響，使輸出仍有不平衡電壓，此電壓稱為“零點殘余電壓”。由于零點殘余電壓的存在，使得操作手柄的調(diào)零成為一個關(guān)鍵性問題。

　　零點殘余電壓是由差動變壓器電和磁的各種參數(shù)不對稱產(chǎn)生的。這些因素中除差動變壓器兩副邊線圈的幾何形狀、尺寸、匝數(shù)、線徑等電的參數(shù)以外，磁回路的對稱性也是一個非常重要的因素。

　　在實際使用中，該操作手柄對零點輸出電壓要求雖不是特別精確，只要求在<0.2V范圍內(nèi)即可，但在最初的試制過程中零點最低輸出在0.6- 3V范圍內(nèi)均出現(xiàn)過，從我們調(diào)試整改的過程中發(fā)現(xiàn)，主要原因有以下兩方面：雖然在設(shè)計上可以對線圈的各種參數(shù)要求完dngHouse.Allrightsreserved，http://www.cnki.net全對稱，但在制造和工藝上是很難實現(xiàn)的。調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，存在著因線圈的不對稱而造成零點輸出電壓偏高的現(xiàn)象。在測試時發(fā)現(xiàn)，如果將線圈調(diào)頭安裝，再調(diào)最低零點輸出電壓，其值與調(diào)頭前最大可以相差約0.6V左右。這說明由于線圈加工中的誤差能導(dǎo)致較大的零點殘余電壓產(chǎn)生。

　?。?）磁方面的影響起初設(shè)計，線圈前端的支承件4采用經(jīng)鍍鎳處理的黃銅（材質(zhì)H62）材料，后端壓板8采用酚醛層壓絕緣布板，底蓋10采用經(jīng)鍍鎳處理的黃銅（材質(zhì)H62）材料，圓筒9為不銹鋼材料，基座3采用普通鑄鋼，經(jīng)表面鍍鎳處理。其零點輸出電壓竟高達3V左右，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于支承件4和壓板8均為非鐵磁性材料，且形狀尺寸差異較大，造成磁路的不對稱，從而產(chǎn)生零點輸出電壓偏高較大的現(xiàn)象。

　　而底蓋10、圓筒9及基座3等部件對輸出電壓的影響則不是太大。后來，將支承件4和壓板8均采用鐵磁性不銹鋼材料（如材質(zhì)1Cr13），且對尺寸調(diào)整到近似對稱，其零點輸出電壓可調(diào)到0.2V以內(nèi)。從上述過程可以看出，磁路的不對稱也是產(chǎn)生較高零點殘余電壓的一個重要因素。

　　另外，在更高精度要求的使用中，還可以采用對輸出電壓進行電氣補償?shù)霓k法，如加適當(dāng)?shù)碾娮?、電容或加反饋電路進行補償，其方法很多，這里不再贅述；還可以采用增減線圈匝數(shù)的實驗方法來調(diào)整零點殘余電壓，這理論上是可行的，但實際操作比較麻煩。

　　5結(jié)束語從我們采用差動變壓器原理設(shè)計制造的幾種控制器件在實際使用的情況看，其性能的穩(wěn)定性、重復(fù)性都比較好。由于采用了差動變壓器的電磁感應(yīng)方式，不產(chǎn)生摩擦，無磨損，安全可靠，使用壽命長，在石油鉆機控制系統(tǒng)和礦井提升機控制系統(tǒng)中均取得了很好的應(yīng)用效果。