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1、实验八电感位移传感器特性研究【实验目的】1.了解电感位移传感器工作原理；2.测量自感式传感器特性；3.测量差动变压器式传感器特性。【实验原理】1自感式位移传感器当磁棒插入线圈中并发生位移时，回路自感的大小与这回路所围面积的磁链数有关，由于磁棒在外部的磁感线是发散的、密度较稀， 在内部的磁感线密度很大，所以自感 L 随磁棒位移x 而发生变化。而自感式传感器是把被待测位移变化转换成自感 L 变化的一种传感器。 自感式传感器的自变量为L，电感测量常见方法有以下两种。（1）RL 分压法测电感图 9.1（a）所示的 RL 分压法测量电感接线图，因为电感的电流落后电压 90，而串联电路流过的电流是相同的，
2、所以电感的电流与电阻的电压同相位。我们把电阻电压 VR 放在 X 轴上，则电感电压VL 在 Y 轴正向。因为串联电路流过的电流相同，所以我们可以把电流因子约去。由图9.1（b）可知?=? ?2+?2=1 1+(?/? )2（1）?=? (?/?)2- 1（2）所以，只要已知 R、? 、?，测量 ?即可求出 L。（2）LC 谐振电流法测量电感如图 9.2 所示，我们再在RL 回路中串入一个电容C。串联电路流 过各元 件的 电流相同，但电容上的电压落后电流90。我们仍把电阻上的电压作为参考量放在 x 轴， 那么，电容电压将位于y 轴的负方向。这样电容上的电压和电感上的电压都位于 y 轴且方向相反。
3、 一种特殊情况下， 无论电感和电容的值是多少， 总能找到一个频率使得VC=VL ，由图 9.2（b）看出，在 y 方向上的合成量为零。这种情况称之为谐振， 此时回路电流为谐振电流， 用取样电阻 R 就得到了取样电压，此时取样信号与信号源信号同相位且为最大值，利用这个特点， 我们可以测量精确电感。由 VC=VL ，约去电流因子我们有XC=XL ，即? =1?（3）? =1?2?（4）可以看出，只要信号源频率、电容C 已知，L 就可以计算。这种测量方式避免了测量仪表直接加在被测元件上，对于小容量电容测量很有好处， 由于是比较相位，所以特别灵敏。但是做成测量仪器时，测量电路复杂，一般常用于实验室研究
4、中。2差动变压器式位移传感器（互感式）这种传感器把被测量转换为初级线圈与次级线圈间的互感量M变化。当初级线圈接入激励电源后， 次级线圈就将产生感应电动势， 当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。 由于常常把两个次级线圈反向串联即差动连接，故称为差动变压器式传感器。（1）示波器法测量差动电压两个次级线圈 W2、W3 感应出的交流信号相位相同的端口称为同名端，即标有小黑点的位置，如图 3所示。把 W2、W3 的同名端反向串联后接入示波器，输出电压的幅度变化反映出两个互感 M1、M2 的大小变化，相位改变则反映出衔铁位于中心位置的哪一侧。显然，三个线圈相对位置以及衔铁位置的任何变化都会导致互
5、感的变化，从而使得输出电压的幅度和相位发生变化。为了避免开路测量带来的干扰和减轻相位不对称，可以接适当的RC 负载。这种方法不能完全消除零点残余电压，但是能完整地观察到磁通的变化过程。（2）直流法测量差动电压这种方法是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后把整流后输出的差值作为测量对象。整流电路有全波和半波两种形式，依据输出的种类又分为电压输出和电流输出两种，所以组合出四种电路结构。图7 给出了最简单的半波整流法测量的电路原理图， 这种方法避免了相位偏移带来的影响， 消除零点残余电压的条件大为降低，避免了参数不对称带来的零点偏移，所以对零点判断的灵敏度很高。从图 9.4中可知，电位器 P
6、1的 A、B 相对 G 点都是正电压，调节P1的抽头位置，总能找到一个位置，使得A、B 两端的电压相对G 点相等，即 Uo=0，这样就消除了零点残余电压。而Uo 的正负指示了出衔铁的方位。【实验仪器】电感位移传感器实验仪 （1件）， 双通道信号发生器 （1 件），双通道示波器 （1件），九孔连接板（ 1 件），万用表（ 1 件），检波二极管（ 2 件）， BNC-九孔板连接线（ 3 件），导线（ 2 件），短路桥（ 5件）。P1：10k，R1：100，R2、R3：2k，C1、C2：0.01uf，C3：4.7uf。【实验内容】P1GBAe1e2oUC3XVi图 9.4 半波整流法1.RL 分压法
7、测量 L (1)按图9.1接线，只使用线圈 L2，另外两个线圈 L1、 L3不连任何元件并移到一边。R取100，取信号发生器设定为正弦波、幅度为5Vpp，频率为 10kHz，设置示波器参数使之适合测量。(2)测量输出电压与位移的关系。以磁棒中点为参考0点，以 -30mm为测量起始点，5mm为步长移动 L2，过0点直到磁棒的固定端，同时记录示波器上测量到的输入电压 Vi和输出电压 Vo，特别注意记录 L2电感量最大时的位置和电压值，这点位置不一定在磁棒的几何中点。(3)计算L，找出 L最大时的位置作为 ? 坐标的原点，作 L与位移量 ? 关系曲线。(4)根据（ 3）的结果讨论磁通沿磁棒方向上的变
8、化。2.用示波器测量差动变压器的输出(1)信号发生器设置不变，按图9.3连接电路。(2)模仿铁芯移动工作模式。 把三个线圈靠紧作为一个整体移动，以磁棒中点作为坐标 0点。然后从 -50mm处为测量起点，步长为 5mm，过0点直到磁棒另一固定端。测量差动电压 ?与? 的关系，同时要记录输入电压 Vi的变化。同样要确定出 ?最小处的坐标。(3)模仿电感移动工作模式。 把两个次级线圈 L2、 L3分开靠紧磁棒两侧的安装底座，注意不能有移动。 先测定 L1输出最小时的坐标位置。 然后移动初级线圈L1，从一侧到另一侧， 步长5mm。测量差动电压 ?与? 的关系，同时要记录输入电压 Vi 的变化。(4)对
9、（2）（3）测得的输出电压 ?与? 关系曲线作归一化处理 （x、y值分别除以其中的最大值），注意 ? 的原点应选在差动电压最小时的位置上。*(5) 三个线圈靠紧，定位在平衡位置不动。只改变激励信号的频率，取20kHz、30 kHz、40 kHz、50 kHz、60kHz频点，测量输出电压对频率的变化并记录波形的变化，注意随时调整CH2的灵敏度。*3 用半波整流法测量差动变压器的输出。按图 9.4接线，重复内容 2 中的（2） 、（3）、（ 4）。*4 LC 谐振电流法测量电感，按图9.2 接线，重复内容1 中的内容，比较两种方法。【思考题】1.如何计算 ? 的原点？已知线圈（含架）的宽度为14mm。2.当激励频率升高后，零点残余电压会怎样变化？为何不能抵消？3.磁棒中的磁通是如何分布的， 为什么线圈移到端部时， 电感量会迅速减小？4.互感是如何定义的？根据本实验的仪器，设计一个测量互感的方案。5.半波整流法是如何消除零点残余电压的？优点是什么，缺点是什么？为什么说对零点判断的灵敏度很高？
