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自制电感传感器测量微小位移

鏃ユ湡;2019-06-13  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  制作了一个基于电感传感器原理的微小位移测量装置,将测量结果与光杠杆的测量结果相比较,发现用电感传感器测量微小位移时,灵敏度、线性度和测量范围相互制约。但在一定范围内,它的测量精度比光杠杆的更高。

  通过测量微小位移,可以计算出物体的热膨胀系数、磁致伸缩系数,从而深入了解物体的热性质和磁性质;测量微小位移,可以发现机械零部件的微小变化,了解机械运作的正常状况,防止机械故障的产生;测量微小位移,可以知道桥梁、水坝等建筑物的变形,从而采取有效的措施,防止重大事故的发生。用来测量微小位移的器件很多,通常采用光学的办法来测量0. 01mm以下微小位移。比如光杠杆的反射放、测量显微镜的放、激光干涉法、单缝衍射法[1, 2]。光学方法通常精度很高,有的可达纳米级,但是光学仪器成本昂贵,而且光学仪器要比较好的稳定性,不便随便移动,因此在实际应用当中受到很大限制。如果通过电感产生磁场来测量微小位移变化,则设备简单便宜,容易移动、组装,而且测量的精度也能达到1~5m的范围[3],因此在生产生活中有比较高的利用价值。

  在利用磁场测量微小位移时,磁场的变化不易直接发现微小位移的变化,因此可以采用间接测量法,将磁场的变化转变成外电路电压的变化,然后通过测量外电路电压的变化来计算微小位移。用磁场测量微小位移的器材结构如图1所示,通常称为变磁阻式传感器.它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。实际测量中,为了提高测量灵敏度并减小非线性误差,采用差动变隙式电感传感器。由图2可知,由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与电感量变化L有关[3, 4]。

  变压器式交流电桥测量电路如图3所示,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压:

  衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于.U0是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决;在制作Z1和Z2过程中,不可能完全一致,电桥偏离平衡位置,此时的.U0不为零,因此必须修正。

  带铁心的线圈、衔铁、变压器、光杠杆、数字万用表、示波器、铁架台、直尺。为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。

  测量微小位移和微小角度变化可以采用光杠杆镜尺法,它是一种常用的光学放,基本原理是使用光学装置将待测微小物理量进行间接放大的方法来达到测量的目的[7, 8]。本实验采用光杠杆镜尺法与传感器测量法进行对比研究。步骤如下。

  (1)制作两个相同的带铁心线圈,并将它们完全对称地固定在铁架台上,测量两铁心之间的距离d。连接实验电路。

  (2)电路连接后首先调零,由于线一般不可能完全调零。调节L1与L2的大小,使得L1两端的电压与L2两端的电压相等。用数字万用表测出此时的.U0值。

  (3)插入衔铁并调节衔铁高度,使得.U0值保持不变,这时衔铁恰好处在中间位置。

  (4)测量反射镜前后脚之间的距离a,安装光杠杆,使反射镜的后脚搁在衔铁上,调节望远镜,找到刻度尺,读出此时的刻度A1,并测出望远镜与反射镜之间的距离D。

  (1)当衔铁移动的距离小于0. 1 mm时,比较表1至表4中的与h,可以看出,与h相差较小,说明用变隙式电感式传感器测量微小位移的变化与用光杠杆方法测量的结果相差较小,故用变隙式电感式传感器能较精确测量微小位移的变化。因此,用磁场测量微小位移是可行的。

  (2)从表1至表4的最后一组数据可以看出,随着衔铁移动距离的增大,用传感器测出的误差也增大,当移动距离大于0. 1 mm时,万用表的读数甚至不能正确的反映位移的变化量,算出的值完全偏离实际移动的距离。

  (3)根据表5和表6中的.U0与A2的变化可知,当衔铁移动距离小于0. 01 mm时,随着衔铁移动.U0发生变化,而A2变化极小,存在读数误差,此时电感传感器的测量灵敏度比光杠杆的高,比较两表中与h值可看出,h与有时相差甚远,说明电感传感器在此测量范围内的精度比光杠杆的更高。

  (1)自制的两铁心和线圈很难保证在结构尺寸、材料、电气参数上完全一致,因此,这是实验误差来源的主要方面。

  (2)当两线圈的电感太小时,线圈分得的电压也小,当衔铁移动微小位移时,输出电压.U0不会发生明显的变化,因此很难由公式(5)、(6)计算出。当两线圈的电感太大时,两铁心间的电磁力也较大,由于电流是震荡的,使得铁心间的电磁力也忽大忽小,从而使铁心发生振动,影响测量精度。

  通过对用电感式传感器测量微小位移的实验研究,可知该实验装置具有结构简单,工作可靠,在一定范围内测量精度高,零点稳定等一系列优点,本文采用差分电感式传感器原理测量微小位移,并与光杠杆测量的结果进行了比较研究,取得了一些有益的结论,对开展微小物理量测量有一定参考价值。

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