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1、第6章 差动螺线管电感传感器的性能 测试 6.1 实训的目的要求 6.1.1实训目的1.通过本次实训，进一步熟悉和掌握差动螺线管电感传感器的结构原理和 特性，并弄清激励频率对这种传感器输出特性的影响；2.通过实训掌握差动螺线管的性能测试方法，更好地理解它的性能特点， 学会更合理地选用这种传感器；3.通过本次实训更熟练地掌握移相器的使用方法及其工作原理；4.通过实训培养同学们仔细、严谨的工作作风和一丝不苟的治学态度；6.1.2实训要求1.认真复习差动螺线管电感式传感器的有关内容，熟练掌握相关理论知识 ，了解差动螺线管电感式传感器的性能特点和实际应用情况；2.认真预习关于这个实训的相关内容，弄清其
2、基本原理，掌握所用设备的 操作要求和规范；3.看懂电路图，想好接线、布线方法，便于开始实训后合理接线；4.仔细认真地完成所有实训内容，认真清理完实训所用的各种仪器仪表 ，整理好所有导线，请指导教师验收合格合方可离开实训室；写出实训报告 ； 16.2 实训的基本原理 6.2.1差动螺线管电感传感器性能测试原理1.差动螺线管电感传感器的结构原理 这种传感器的结构原理如图6.1所示：1为差动线圈的电极，与测量电路相连 接；2是螺线管支架，采用铁磁材料制作；3和5为差动线圈，上下两个完全对 称，其初始电感均为L0、线圈匝数都是W；4是移动铁芯，用于改变螺线管的 磁阻大小以引起线圈的电感变化；当移动铁芯
3、4处于中间（初始状态）时，上 、下两电感量相等。（61）式中：r移动铁芯半径； r0线圈内半径；S线圈内截面积（ S=r02）； 活动铁芯的相对磁导率；当动铁芯有一位移X时（如上移），使上边线圈的电感量增加L，下面线 圈电感减小L，形成差动变化；其电感灵敏度：KL= （62） 22.差动螺线管电感传感器的测量电路为了将电感的增量转换成电压或电流信号，需采用一定形式的测量电路。 这种传感器的测量电路主要有以下几种：一种是较简单的变压器交流电桥，原 理如图6.2所示，用变压器副绕组作平衡臂。O点为电位参考点，由电路分析 可知电桥的输出为： （63）当传感器的动铁芯处于初始位置时，两线圈的电感相等阻
4、抗也相等，由式 (63)可知电桥输出电压为零，处于平衡状态。当铁芯向上或向下移动时，一 个线圈的电感增加而另一个减小，且增量的大小相等，即：Z1=Z0+Z；Z2=Z0 Z；代入式(63)可得： 3（64）只要线圈的品质因数Q值足够高（一般均能满足这个条件），就可略去线圈 电阻的影响。因此，根据式6.4可得传感器的输出电压的拥军优属值为：（65）这种测量电路只能反映位移的大小，不能反映其方向。为克服这一缺点，可 采用带相敏整流的交流电桥电路，如图6.3所示。图中的两个桥臂Z1、Z2为差 动电感传感器的线圈，另两个为平衡阻抗Z3、Z4。初始状态下四个阻抗相等 ，电路输出为零；VD1到VD4四只二极
5、管组成相敏整流器，在A、B两点之间 输入交流激励信号；C、D两点间输出直流信号。显示仪表应采用零刻度在中 点的电压表头或数字电压表。其工作原理如下：位移为零时电桥处于平衡状态，输出电压为零。当动 铁芯向某一方向移动而产生一个位移量X时，差动线圈分别产生等量异性的 电感量变化，引起电桥发生差动变化。其输出在正半周（参照等效电路6 4A）时为： 4（66）而在负半 周（参照等效电路64B）时为 ：（67） 5由此可见，只要动铁芯向同一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半 周，其输出电压方向相同。同理，当动铁芯反向移动时，输出电压方向也会反 过来，故这种测量电路不仅能测量位移的大小，而且能够判别
6、位移的方向，3.差动螺线管电感传感器基本性能的测试原理用音频信号作为激励源，利用实训台上的测微头来改变螺线管中动片的位置 ，使电感传感器产生一个大小与位移成正比的电感变化量；将这一增量送电桥 电路，由电桥将其转变成电压信号；电桥的输出信号经差放后送相敏整流并同 时进行移相处理，以获得一个能与位移的大小成正比且能反映位移的方向的直 流电压，再经低通滤波后送到液晶电压显示表显示。原理框图如图6.5所示， 图中W1和W2为电桥网络的调零 电位器，通过调节这两个电位 器可能使电桥在起始位置达到 平 衡。每改变一个位移可得 一个电压，通过测试，记下数 据填入表 格，进行计算分析就 可得到传感器的电压灵敏
7、度和 线性范围了。66.2.2激励频率对差动螺线管电感传感器性能的影响试验原理这一测试原理图与上面一样，所不同得是研究频率对传感器性能的影响 时，传感器动片的位置先固定在某一定值上。改变激励源的激励频率F，测 出系统的输出电压值，记录表中，得到各频率下的电压输出，计算各种频率 下的电压灵敏度KV，并作出灵敏度与频率的关系曲线，分析激励频率对这 种传感器的性能影响。以帮助在实际应用中选用合适的激励频率。 6.3 实训的具体内容 1.电桥网络调零，在开始测试前首先应调整好电桥网络的零位，这样才 能保证测试的正确性。在初始位置反复调节电位器1和2，直到输出为零。 2.基本性能测试，按原理图接好线路，
8、正确无误后开始逐点测量，得到 一系列输出电压值。计算传感器的电压灵敏度，找出其线性范围。完成对 传感器的特性标定。3.激励源激励频率的影响，在原电路图的基础上改变激励频率，保持动 片位置不变，重新测量传感器的电压灵敏度和线性范围，与上面的情况进 行比较。4.按规定完成实训报告。 76.4 所用设备介绍 本实训所用的仪器设备有：电桥、差动 放大器、移相器、相敏检波器、低频滤 波器、音频振荡器、液晶电压表、示波 器和测微头等。其中，电桥、差放、液 晶电压表和测微头已在前面介绍过。音 频振荡器在实训台的面板上，只要正确 接线就可，这里主要介绍移相器、相敏 检波器和示波器三种设备。移相器是由集成运算放
9、大器353构成的 RC移相电路，其原理电路如图6.6所示； 使用时要注意辅助电源的连接。相敏检波器由集成运算放大器构成 的极性反转整形电路和电子开关电路组 成，指标为基波4KHz，半波高度相差 5，其原理电路如图6.7所示。 8示波器可以用来研究信号瞬间幅度随时间的变化关系，也可以用来测量脉 冲的幅值、上升时间等过渡特性。借助于各种转换器还可以用来贯彻各种非电 量，如温度、压力、流量、生物信号等变化过程。实际上，示波器不仅是一种 时域仪器，也是频域测量仪器的重要组成部分。电子示波器的种类是多种多样 的，分类方法也各不相同。按所用示波管不同可分为单线示波器、多踪示波器 、记忆示波器等；按其功能不
10、同可分为通用示波器、多用示波器、高压示波器 等。电子示波器是最常用的电子仪器之一，具有以下一些特点：（1） 能显示信号波形，并可测量出瞬时值；（2） 测量灵敏度高，具有较强的过载能力；（3） 输入阻抗高，对被测系统的影响小；（4） 工作频带宽，速度快，便于观察瞬变现象的细节；（5） 示波器是一种快速XY描绘器，可以在荧光屏上描绘出任何两个量的 函数关系曲线；（6） 配用变换器，可以观察各种非电量，也可以组成综合测量仪器，以扩 展其功能。 示波器的主要操作扭说明如下：面板如图6.8所示； 1 主机电源 （1）电源开关（POWER）：将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源线接入 ，按电源开关，以
11、接通电源。9(2) 电源指示灯：电源接通时指示灯亮。(3) 亮度旋钮（INTENSITY）：顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。接通电源之前将 该旋钮逆时针方向旋转到底。(4) 聚焦旋钮（FOCUS）：用亮度控制钮将亮度调节到合适的标准，然后调节聚焦 控制钮直至达到最清晰的程度，虽然调节亮度时聚焦可自动调节，但聚焦有时也 会轻微变化。如果出现这种情况，需要重新调节聚焦。(5) 光迹旋转旋钮（TRACE ROTION）：由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微 倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度线平行。(6) 刻度照明控制钮（SCALE ILLUM）：该旋钮用于调节屏幕刻度亮度。如果该 旋钮顺时针方向旋
12、转，亮度将增加。该功能用于黑暗环境和拍照时的操作。102垂直方向部分 (30) 通道1输入端CH1 INPUT (X)：该输入端用于垂直方向的输入。在XY 方式时输入端的信号成为X轴信号。 (24)通道1输入端CH2 INPUT (Y)：和通道1一样，但在XY方式时输入端的 信号仍为Y轴信号。 (22)、(29)交流接地直流耦合选择开关(ACGNDDC)：选择垂直放大器 的耦合方式；交流( AC）：垂直输入端由电容器来耦合；接地(GND)：放大器 的输入端接地；直流( DC）垂直放大器输入端与信号直接耦合。 (26)、(33) 衰减器快关(VOLT / DIV)：用于旋转垂直偏转灵敏度的调节。
13、如果 使用的是101的探头，计算时将幅度10。 (25)、(32) 垂直微调旋钮(VARIBLE)：垂直微调用于连接改变电压偏转灵敏度 。此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋到底的位置。将旋钮逆时针方向旋 到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以上。 (20)、(36) CH15扩展、CH25扩展(CH15MAG、CH25MAG)：按下5扩展 按键，垂直方向的信号扩大5倍，最高灵敏度变为1mV / div (23)、(35) 垂直移位(POSITION)：调节光迹在屏幕中的垂直位置。垂直方式工 作按钮：(VERTICAL MODE)；旋转垂直方向的工作方式 （34）通道1选择(CH1)：屏幕上仅
14、显示CH1的信号。 （28）通道2选择(CH2)：屏幕上仅显示CH2的信号。 (34)、(28) 双踪选择(DUAL)：同时按下CH1和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并 自动以断续或交替方式同时显示CH1和CH2上的信号。 (31) 叠加(ADD)：显示CH1和CH2输入电压的代数和。(21) CH2极性开关(INVERT)：按此开关时CH2显示反相电压值。113水平方向部分 (15) 扫描时间因数选择开关(TIME/DIV) ：共20档 在0.1s/div 0.2S/div 范围选择扫描速率。 (11) XY控制键：如XY工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平 偏转信号接入CH1输入端
15、。 ( 7 ) ALT扩展按钮(ALTMAG )：如图6.9所示； (23) 通道2垂直移位键：控制通道2在屏幕踪的垂直位置，档工作在XY方式 时，该键用于Y方向的移位。 (12) 扫描微调控制键(VARIBLE)：此旋钮以顺时针方向旋转到底时处于校准位 置，扫描由Time/Div开关指示。该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍 以上。正常工作时，该旋钮位于校准位置。 (14) 水平移位(POSITION)：用于调节轨迹在水平方向移动。顺时针方向旋转该 旋钮向右移动光迹，逆时针方向旋转向左移动光迹。(9) 扩展控制键(MAG5)、 (MAG10，仅YB4360)：按下去时，扫描因 数5扩展或10扩展。扫描时间是Time / Div开关指示数值的1/5或1/10。部分 波形的扩展：将波形的尖端移到水平尺寸的中心，按下5或10扩展按钮， 波形将扩展5倍或10倍。按下此键，扫描因数1，5或10同时显示。此时 要把放大部分移到屏幕中心，按下ALTMAG键。扩展以后的光迹可由分离 控制键(13) 移位距1光迹1.5div或更远的地方。同时使用垂直双踪方式和水平 ALTMAG可在屏幕上同时显示四条光迹，如图6.10所示。 124触发（TRIG）(18) 触发源选择开关 (SOURCE)：选择触发信号 源；内触发(INT)：CH1或 CH2上的输入信号时触
