差动自感传感器模块

差动自感传感器实验模块

基本教学实验

实验目的

1 掌握差动自感传感器的基本结构和工作原理。

2 通过实验验证差动自感传感器的基本特性。

3 通过实验研究激励频率对差动自感传感器灵敏度的影响。

4 掌握差动自感传感器的静态标定方法，通过实验进行差动自感传感器的静态标定。

实验原理

双线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型，图1为变气隙长度型差动自感传感器原理图，由两只完全对称的单线圈自感传感器共用一个活动衔铁而构成。

图1 变气隙长度型差动自感传感器

设δδδ?+=01，δδδ?-=02，则两线圈自感分别为

L L L ?+=01 （1）

L L L ?-=02 （2）

差动自感传感器的输出特性示意图如图2所示。

图2 差动自感传感器的输出特性示意图

采用差动结构能带来哪些好处呢？分析如下。如图3所示，将传感器两线圈接入交流电桥的相邻两臂，并施加交流激励电源?

i U ，电桥输出?

o U 作为传感器的输出信号。

图3 差动自感传感器接入交流电桥

初始时，衔铁处于中间位置，021δδδ==，021L L L ==，即0021L j R Z Z ω+==,而R Z Z ==43是固定臂，于是电桥平衡，输出电压?

o U =0。

当衔铁偏离中间位置δ?时，两线圈电感量(或阻抗)一增、一减

)(001L L j R Z ?++=ω （3） )(002L L j R Z ?-+=ω （4）

此时电桥失衡，有电压输出，输出为

0432*******))((L j R L

j U U Z Z Z Z Z Z Z Z U i i ωω+?=++-=

?

?

?

（5）

因为线圈的品质因数很高，00R L >>ω

02L L

U U i ?=

?

?

（6） 可见，输出信号的幅值与衔铁的位移幅度成正比，其相位取决于位移的方向，若衔铁上移，

输出信号与激励电源同相位；若衔铁下移，输出信号与激励电源相位相差180o

。

若只将单线圈自感传感器接入该电桥，不妨设1Z 为该单线圈自感传感器，可得

04L L

U U i ?=

?

?

（7） 差动自感传感器相对单线圈自感传感器，从理论上消除了起始时的零位输出，衔铁所受电磁引力平衡；灵敏度提高一倍；线性度得到改善(电感变化量的高次项能部分相互抵消)；差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，它们所引起的线圈自感变化的大小和符号是相同的，而信号调理电路实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。

差动自感传感器、差动变压器的激励频率—般在50Hz 至10kHz 范围。频率太低时，其灵敏度显著降低，由温度和频率波动引起的附加误差增大；但频率太高，其涡流损耗和铁损增加，寄生电容影响加大。根据具体应用场合选择合适的工作频率非常重要。

本传感器实验仪没有配备变气隙式差动自感传感器，为此使用该实验仪上的差动变压器的两个副边线圈和铁芯构成螺旋管式差动自感传感器，差动变压器一次线圈此时呈开路状

态，如图4、图5所示

图4 螺管式差动变压器结构示意图

图5 差动变压器替代差动自感传感器的电气原理图

实验所需部件

差动变压器（作为差动自感传感器）、音频振荡器、测微头、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、直流电压表、示波器

实验步骤

测量差动自感传感器的传感特性，进行静态标定：

1 将差动变压器原边开路、副边接成差动状态，如图6所示。

衔铁音频振荡器

图6 利用差动自感传感器进行位移测量

2 音频振荡器功率输出端LV端作为差动自感传感器的恒流激励电源，差动放大器增益适度。差动自感传感器的两个线圈和两个固定电阻组成不平衡交流电桥，将电感参数的变化转换为电压信号输出。

3 旋转测微头使衔铁位置相对两个线圈对称，此时电桥平衡，测量系统输出为零。

4 当衔铁发生位移时，电桥失衡，测量系统输出电信号，电压幅值与位移幅度对应，电压相位与位移方向对应。衔铁在平衡位置向上运动、向下运动，电桥输出电压信号的相位相差180°。电桥输出的交流调幅波性经相敏整流后转换为直流信号，直流信号的幅值对应位移幅度，直流信号极性对应位移方向。以平衡位置为起点，分别向上、向下各位移5mm ，记录被测位移量、输出电信号值。反复作5个循环，作出传感特性标定曲线，求出灵敏度。

5 重复4，只作一个循环，以标定曲线根据输出信号计算被测位移量，与测微头的实际位移量相比较，计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。

研究激励频率对自感传感器的影响： 6 按图7接线。

图7 研究激励频率对电感传感器的影响电路图

7 将音频振荡器输出频率调至5kHz ，幅值调至居中，差动放大器增益调至100。 8 仔细调节测微头，使衔铁处于中间位置，此时电桥输出幅值最低。

11 根据记录数据，作出每个激励频率下的传感器特性曲线，并作出灵敏度与激励频率的关系曲线。

设计性实验——基于差动自感传感器的振动测量系统设计

实验要求

设计以差动自感传感器作为传感器的振动测量系统，使用该系统测量被测对象的固有振动频率，对该系统被测振幅与输出电信号之间的关系进行标定，利用标定后的测量系统进行振幅测量并计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。

可用资源

原实验仪上的所有资源，如差动变压器（作为差动自感传感器使用）、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表等；振幅及频率测量装置；示波器。

建议实验步骤

1 移开圆盘上测微头使圆盘处于自由可振动状态。

2 低频振荡器接入“激振I”，使圆盘振动。注意保持适当的振幅。

3 以差动变压器的两个次级线圈、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表为基本部件，设计基于差动变压器的振动测量系统。画出电路图，并按图组成系统。经指导教师认可后，方可通电。

4 调整振动测量系统的零点，微调衔铁在支架上的位置，调节电桥电路，使其输出为零。用示波器观察电桥输出波形是否对称，如不对称，则需对电桥、移相器等进行调整。

5 维持低频振荡器输出幅值不变，改变低频振荡器的频率，从5HZ逐渐增加到30HZ，记录测量系统输出的电信号幅值，利用振幅及频率测量装置测量振幅、振动频率。最高电信号幅值所对应的振动频率就是被测对象的固有频率。

6 在低于固有频率的范围内任选一个激振频率，并维持不变。先是从低到高、而后从高到低调整激振幅值，记录输出电信号、并用振幅及频率测量装置测量振幅。如此反复测量几个循环。

7 更改激振频率，重复6的实验内容。

8 以6、7的测量数据为基础，作出所设计的振动测量系统的标定曲线。

9 再更换激振频率、激振幅值，记录测量系统输出的电信号，并依据标定曲线计算被测振幅；同时利用振幅频率测量装置实际测量振幅。

10 依据9的数据，计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。