差动变压器法的工作原理及应用

1.适用范围

差动变压器法适用于测量各种金属材料和非金属材料，该类型仪器测量的温度范围较宽，试样的规格也允许有很大的变化范围。

2.测量原理

差动变压器法将位移量的变化转换成电感量的变化，即应用互感型的传感器（差动变压器）测量试样热膨胀。差动变压器是由一个一次侧（励磁）线圈、两个绕制方向相反并互相串联的二次侧线圈和一个铁心组成。试样通过顶杆与铁心连接，置于线圈的中心。试样膨胀或收缩时，铁心相对于线圈移动，使一次侧和二次侧线圈之间的互感系数发生变化，因而输出电压也相应变化。在较小的位移范围内，位移量与电感量呈线性关系变化，因而膨胀或收缩量亦与电压成线性关系变化。

3.检测方法

差动变压器式膨胀仪的结构如图4-16所示。

图4-16 差动变压器式膨胀仪结构示意图

1—接触球 2—磁芯棒 3—热电偶 4—钼片导向环 5—钼顶板 6—保温层 7—电炉丝 8—炉壳 9—试样 10—钨支杆 11—钨顶杆 12—氧化铝炉管 13—氧化铝保护管 14、17—殷钢连接杆 15—导向弹簧 16—支杆固定底座 18—导向弹簧 19—差动变压器线圈 20—微调指针 21—微调器

炉子用Pt-Rh30（Rh的质量分数为30%）丝绕成，其电阻约为4Ω。炉子内管为带螺纹的刚玉，外管由氧化铝中空球制成。炉子在空气气氛下工作，最高工作温度为1450℃。保温层是用氧化铝中空球做成，套层厚度为40mm。膨胀计由两根钨支杆和一根钨顶杆组成，两支杆的顶端用一钼片连接，并用钼螺钉固定。为了保证试样膨胀时顶杆和试样沿轴向做一维移动，在膨胀计的中部和下部分别装有导向弹簧，支杆底座上也装有定位套。钨顶杆和差动变压器的铁心之间用一段导热性能差的石英杆连接，以防止差动变压器受热而引起输出电信号漂移。试样为ϕ5～ϕ6mm、长25mm的圆棒，两端面抛光，其平行度误差不大于2～3mm。测温用Pt-Rh热电偶。

膨胀仪的测量回路如图4-17所示。

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图4-17 膨胀仪的测量回路

1—铁心 2—差动变压器 3—固定座 4—弹簧 5—顶杆 6—支杆 7—炉子 8—试样 9—热电偶 10—双笔记录仪 11—校正电路 12—检波器 13—前置放大器 14—直流稳压器 15—10kHz振 荡16—功率放大器

图4-17中5为顶杆、6为支杆，5和6两者材料相同。L′为顶杆的一段，它与试样长度L₀相等。若顶杆和支杆的受热状态完全一致（即每一横截面上对应的温度完全相等），则测量出的膨胀量ΔL_K即为试样的膨胀量ΔL₀与支杆膨胀量ΔL′的代数和（ΔL₀与ΔL′方向相反）。但实际上，上述条件很难满足，因而顶杆和支杆之间的膨胀存在一个差值K_T（K_T因温度而异，其值由试验得出），因此试样的实际膨胀量ΔL₀=ΔL_K+ΔL′+K_T，试样的平均线胀系数按下式计算：

式中 α_l——试样的平均线胀系数，单位为℃^-1；

L₀——试样长度，单位为mm；

ΔL_K——膨胀量的测定值，单位为mm；

ΔL′——与试样等长的钨支杆的膨胀量，单位为mm；

K_T——校正量，单位为mm；

ΔT——初始温度与终止温度间的差值，单位为℃。

近年来，人们开发出了数字式膨胀仪和用于热膨胀测量的TMA（热机械分析）仪，其测量温度最低约为-150℃，最高可达1500℃，试样尺寸允许有很大的变化范围，长度上限约20mm，直径为2～15mm，对非圆柱形试样亦可测量。TMA的传感器为线性可变差动变压器（LVDT），其最大线性范围为2mm，最高灵敏度为0.04μm，对于线胀系数从（1～200）×10^-6℃^-1的材料均可测量。测量时试样上的接触压力可根据需要任意调节。TMA除可测量固体材料的热膨胀系数、研究材料的相变过程并测定其相变点外，还可测量非晶体材料（陶瓷、玻璃、塑料、石蜡等）的软化温度，测定它们的成分变化等。