差動(dòng)自感傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K的基本傳感實(shí)驗(yàn).docx

差動(dòng)自感傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握差動(dòng)自感傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證差動(dòng)自感傳感器的基本特性。3 通過實(shí)驗(yàn)研究激勵(lì)頻率對(duì)差動(dòng)自感傳感器靈敏度的影響。4 掌握差動(dòng)自感傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行差動(dòng)自感傳感器的靜態(tài)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)原理雙線圈變氣隙式自感傳感器采用兩個(gè)線圈激磁，工作時(shí)兩線圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸出，因而稱之為差動(dòng)自感傳感器。差動(dòng)自感傳感器亦有變氣隙長度型和變氣隙截面積型，圖1為變氣隙長度型差動(dòng)自感傳感器原理圖，由兩只完全對(duì)稱的單線圈自感傳感器共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵而構(gòu)成。圖1 變氣隙長度型差動(dòng)自感傳感器設(shè)，則兩線圈自感分別為 （1） （2）差動(dòng)自感傳感器的輸出特性示意圖如圖2所示。圖2 差動(dòng)自感傳感器的輸出特性示意圖采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)能帶來哪些好處呢？分析如下。如圖3所示，將傳感器兩線圈接入交流電橋的相鄰兩臂，并施加交流激勵(lì)電源，電橋輸出作為傳感器的輸出信號(hào)。圖3 差動(dòng)自感傳感器接入交流電橋初始時(shí)，銜鐵處于中間位置，即,而是固定臂，于是電橋平衡，輸出電壓=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩線圈電感量(或阻抗)一增、一減 （3） （4）此時(shí)電橋失衡，有電壓輸出，輸出為 （5）因?yàn)榫€圈的品質(zhì)因數(shù)很高， （6）可見，輸出信號(hào)的幅值與銜鐵的位移幅度成正比，其相位取決于位移的方向，若銜鐵上移，輸出信號(hào)與激勵(lì)電源同相位；若銜鐵下移，輸出信號(hào)與激勵(lì)電源相位相差180o。若只將單線圈自感傳感器接入該電橋，不妨設(shè)為該單線圈自感傳感器，可得 （7）差動(dòng)自感傳感器相對(duì)單線圈自感傳感器，從理論上消除了起始時(shí)的零位輸出，銜鐵所受電磁引力平衡；靈敏度提高一倍；線性度得到改善(電感變化量的高次項(xiàng)能部分相互抵消)；差動(dòng)形式可減弱或消除溫度、電源變化及外界干擾等共模干擾的影響。因?yàn)檫@些干擾是以相同的方向、相同的幅度作用在兩個(gè)線圈上的，它們所引起的線圈自感變化的大小和符號(hào)是相同的，而信號(hào)調(diào)理電路實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)線圈自感的差值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。差動(dòng)自感傳感器、差動(dòng)變壓器的激勵(lì)頻率般在50Hz至10kHz范圍。頻率太低時(shí)，其靈敏度顯著降低，由溫度和頻率波動(dòng)引起的附加誤差增大；但頻率太高，其渦流損耗和鐵損增加，寄生電容影響加大。根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的工作頻率非常重要。本傳感器實(shí)驗(yàn)儀沒有配備變氣隙式差動(dòng)自感傳感器，為此使用該實(shí)驗(yàn)儀上的差動(dòng)變壓器的兩個(gè)副邊線圈和鐵芯構(gòu)成螺旋管式差動(dòng)自感傳感器，差動(dòng)變壓器一次線圈此時(shí)呈開路狀態(tài)，如圖4、圖5所示圖4 螺管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖圖5 差動(dòng)變壓器替代差動(dòng)自感傳感器的電氣原理圖實(shí)驗(yàn)所需部件差動(dòng)變壓器（作為差動(dòng)自感傳感器）、音頻振蕩器、測(cè)微頭、電橋、差動(dòng)放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、直流電壓表、示波器實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量差動(dòng)自感傳感器的傳感特性，進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定：1 將差動(dòng)變壓器原邊開路、副邊接成差動(dòng)狀態(tài)，如圖6所示。圖6 利用差動(dòng)自感傳感器進(jìn)行位移測(cè)量2 音頻振蕩器功率輸出端LV端作為差動(dòng)自感傳感器的恒流激勵(lì)電源，差動(dòng)放大器增益適度。差動(dòng)自感傳感器的兩個(gè)線圈和兩個(gè)固定電阻組成不平衡交流電橋，將電感參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。3 旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭使銜鐵位置相對(duì)兩個(gè)線圈對(duì)稱，此時(shí)電橋平衡，測(cè)量系統(tǒng)輸出為零。4 當(dāng)銜鐵發(fā)生位移時(shí)，電橋失衡，測(cè)量系統(tǒng)輸出電信號(hào)，電壓幅值與位移幅度對(duì)應(yīng)，電壓相位與位移方向?qū)?yīng)。銜鐵在平衡位置向上運(yùn)動(dòng)、向下運(yùn)動(dòng)，電橋輸出電壓信號(hào)的相位相差180。電橋輸出的交流調(diào)幅波性經(jīng)相敏整流后轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，直流信號(hào)的幅值對(duì)應(yīng)位移幅度，直流信號(hào)極性對(duì)應(yīng)位移方向。以平衡位置為起點(diǎn)，分別向上、向下各位移5mm，記錄被測(cè)位移量、輸出電信號(hào)值。反復(fù)作5個(gè)循環(huán)，作出傳感特性標(biāo)定曲線，求出靈敏度。被測(cè)位移mm輸出電壓V5 重復(fù)4，只作一個(gè)循環(huán)，以標(biāo)定曲線根據(jù)輸出信號(hào)計(jì)算被測(cè)位移量，與測(cè)微頭的實(shí)際位移量相比較，計(jì)算絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差、精度等級(jí)。被測(cè)位移mm輸出電壓V計(jì)算位移mm研究激勵(lì)頻率對(duì)自感傳感器的影響：6 按圖7接線。圖7 研究激勵(lì)頻率對(duì)電感傳感器的影響電路圖7 將音頻振蕩器輸出頻率調(diào)至5kHz，幅值調(diào)至居中，差動(dòng)放大器增益調(diào)至100。8 仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭，使銜鐵處于中間位置，此時(shí)電橋輸出幅值最低。9 旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，移動(dòng)銜鐵，每隔1mm從示波器讀出Vpp值，填入下表。被測(cè)位移mm輸出電壓V10 改變音頻振蕩器頻率，重新調(diào)好零位，重復(fù)9，將被測(cè)位移、輸出電壓結(jié)果填入下表。被測(cè)位移mm1kHz2kHz3kHz4kHz5kHz6kHz7kHz8kHz9kHz10kHz11 根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，作出每個(gè)激勵(lì)頻率下的傳感器特性曲線，并作出靈敏度與激勵(lì)頻率的關(guān)系曲線。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基于差動(dòng)自感傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)以差動(dòng)自感傳感器作為傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的固有振動(dòng)頻率，對(duì)該系統(tǒng)被測(cè)振幅與輸出電信號(hào)之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定后的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行振幅測(cè)量并計(jì)算絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差、精度等級(jí)?？捎觅Y源原實(shí)驗(yàn)儀上的所有資源，如差動(dòng)變壓器（作為差動(dòng)自感傳感器使用）、音頻振蕩器、電橋、差動(dòng)放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表等；振幅及頻率測(cè)量裝置；示波器。建議實(shí)驗(yàn)步驟1 移開圓盤上測(cè)微頭使圓盤處于自由可振動(dòng)狀態(tài)。2 低頻振蕩器接入“激振I”，使圓盤振動(dòng)。注意保持適當(dāng)?shù)恼穹? 以差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈、音頻振蕩器、電橋、差動(dòng)放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表為基本部件，設(shè)計(jì)基于差動(dòng)變壓器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。畫出電路圖，并按圖組成系統(tǒng)。經(jīng)指導(dǎo)教師認(rèn)可后，方可通電。4 調(diào)整振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)，微調(diào)銜鐵在支架上的位置，調(diào)節(jié)電橋電路，使其輸出為零。用示波器觀察電橋輸出波形是否對(duì)稱，如不對(duì)稱，則需對(duì)電橋、移相器等進(jìn)行調(diào)整。5 維持低頻振蕩器輸出幅值不變，改變低頻振蕩器的頻率，從5HZ逐漸增加到30HZ，記錄測(cè)量系統(tǒng)輸出的電信號(hào)幅值，利用振幅及頻率測(cè)量裝置測(cè)量振幅、振動(dòng)頻率。最高電信號(hào)幅值所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率就是被測(cè)對(duì)象的固有頻率。激振頻率Hz輸出電壓V振幅mm振動(dòng)頻率Hz6 在低于固有頻率的范圍內(nèi)任選一個(gè)激振頻率，并維持不變。先是從低到高、而后從高到低調(diào)整激振幅值，記錄輸出電信號(hào)、并用振幅及頻率測(cè)量裝置測(cè)量振幅。如此反復(fù)測(cè)量幾個(gè)循環(huán)。激振幅值V輸出電壓V振幅mm振動(dòng)頻率Hz7 更改激振頻率，重復(fù)6的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。8 以6、7的測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)