楊博文

(衡水第一中學 河北 衡水 053000)

楊景發(fā)

(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)

傳感器用于微小位移測量的實驗設(shè)計

楊博文

(衡水第一中學 河北 衡水 053000)

楊景發(fā)

(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)

許多物理量諸如加速度、壓力、應(yīng)變、振動等都可以通過測量微小位移來間接測量.討論了利用霍爾、電感式、電容式傳感器實現(xiàn)對微小位移測量的實驗原理、實驗方法及實驗數(shù)據(jù)的分析討論.

傳感器 微位移 霍爾效應(yīng) 差動變壓器

1 引言

隨著現(xiàn)代測量、控制和自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越受到人們的重視，它的應(yīng)用范圍也越來越廣泛.許多物理量如加速度、壓力、應(yīng)變、振動等都可以通過測量微小位移來間接測量.特別是在微型計算機廣為普及的今天，數(shù)據(jù)的采集、處理和自動控制都采用計算機來實現(xiàn)，需要根據(jù)測量對象的不同選擇相應(yīng)的傳感器，提供可靠準確的信息，完成非電量的電測量.本文分別討論了利用霍爾、差動變壓器、電容傳感器實現(xiàn)對微小位移測量的實驗原理、實驗方法步驟，并對實驗結(jié)果進行了分析討論.該系列實驗的設(shè)計必將在實驗教學和科學研究工作中發(fā)揮其應(yīng)有的價值.

2 霍爾器件測量微位移

2.1 實驗原理

霍爾器件是基于霍爾效應(yīng)工作的.所謂霍爾效應(yīng)是指：若在樣品的x方向通以電流Ix，同時在z方向加上磁場Bz，則會在y方向獲得一個電場Ey，對應(yīng)一個電壓Uy，常以UH表示，稱為霍爾電壓(見圖1霍爾效應(yīng)原理圖).

若采用N型半導體作材料，理論推導可知

其中n為單位體積內(nèi)的電子數(shù),e為電子電荷量,d為霍爾元件的厚度，RH為霍爾系數(shù)，KH為霍爾元件的靈敏度.

圖1 霍爾效應(yīng)原理圖

在Ix一定的情況下，對于確定的樣品，UH的大小和正負只與Bz的方向和大小有關(guān)，或說通過測量UH可以確定Bz的大小和方向.

用極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼制作結(jié)構(gòu)如圖2所示的永磁體，其磁感應(yīng)線的方向如圖.內(nèi)置霍爾器件，若器件處于對稱位置，則由于上下兩部分B方向相反，產(chǎn)生的UH極性相反，而大小相等，使輸出的UH=0.

若器件沿x方向有微小位移，霍爾器件偏離對稱位置，輸出UH≠0.理論推知UH=Kx(K稱為霍爾位移傳感器的輸出靈敏度)，UH大小正比于位移量，通過測量UH可以確定微位移的方向和大小.

圖2 霍爾式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 實驗方法

本實驗是在CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀上完成的，按圖3連接電路.本實驗采取直流激勵方式，給霍爾器件加電流Ix的電壓是直流±2 V.器件x方向的微小位移通過螺動千分尺的方式來完成.輸出UH可以通過指針式電壓表或數(shù)字電壓表讀出.

圖3 霍爾器件測量電路圖

裝上測微頭，調(diào)節(jié)振動圓盤上、下位置，使霍爾元件位于梯度磁場中間位置.開啟電源，調(diào)節(jié)測微頭和電橋WD，使差放輸出為零.上下移動振動臺，使差放正負電壓輸出對稱.上、下移動測微頭各6.0 mm，每變化0.5 mm讀取相應(yīng)的電壓值，并記入表1.

表1 霍爾器件測量微位移的實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

2.3 數(shù)據(jù)處理與討論

由表1數(shù)據(jù)作出UH-x曲線如圖4所示，該曲線呈現(xiàn)出一定的線性范圍，與理論UH∝x相符.

圖4 霍爾傳感器電壓-位移關(guān)系曲線

本實驗測出的實際上是磁場的分布情況，它的線性越好，位移測量的線性度也越好，它們的變化越陡，位移測量的靈敏度也越大.

若霍爾器件在均勻的磁場中轉(zhuǎn)動，則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角θ的正弦函數(shù)成比例的霍爾電壓，因此可用來測量角位移.

3 電感式(差動變壓器)傳感器測量微小位移

3.1 實驗原理

差動變壓器屬電感式傳感器，由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成.初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，次級線圈有兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反接串聯(lián)而成，相當于變壓器的副邊，有兩段和三段之分，本實驗采用的是三段式差動變壓器.如圖5所示，其中中段輸入交變電信號.其他兩段輸出相應(yīng)的交變電信號，兩次級線圈反接，線圈中心置鐵芯，當鐵芯位于對稱位置時，由于初級線圈與兩次級線圈間互感相等，使兩次級輸出電信號大小也相等，而兩次級反接，故總輸出為零.

圖5 三段式差動變壓器原理圖

若鐵芯沿x方向發(fā)生微小位移，則初級與兩次級間互感不等，輸出信號大小也不再相等.反接后總

輸出不再為零，使總輸出與位移成正比，通過測量輸出量的大小和極性，即可確定鐵芯沿x方向位移的大小和方向.

3.2 實驗方法

本實驗是在CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀上完成的，按圖6連接好電路.音頻振蕩器的作用是產(chǎn)生激勵電壓(Lv端輸出5 kHz，Vp-p值2 V)，相敏、移相器組成相敏檢波電路，實現(xiàn)對鐵芯移動方向的鑒別.低通濾波器濾去高次諧波，輸出由數(shù)字電壓表讀出，鐵芯位移通過螺動千分尺完成.

圖6 電感式傳感器測量電路圖

調(diào)整電路，使0.5 mm位移對應(yīng)100 mV左右輸出，每0.05 mm測一點，共測21點，實驗數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 差動變壓器測量微位移的實驗數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理與討論

由表2數(shù)據(jù)作出位移與輸出電壓對應(yīng)的曲線如圖7所示，該曲線類似霍爾器件.

本實驗的誤差主要來自于零點殘余電壓(鐵芯置于中間位置時，存在的微小輸出電壓)，可通過在設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)的對稱性；選用合適的測量電路以及采用適當?shù)难a償電路來消弱.

圖7 差動變壓器電壓-位移關(guān)系曲線

本傳感器測量微小位移具有分辨率高，線性度好，測量范圍寬(幾十微米到數(shù)百毫米)的特點.

4 電容式傳感器測位移

4.1 實驗原理

利用平板電容器原理

式中，S為極板面積，d為極板間距離，ε0真空介電常數(shù)，εr介質(zhì)相對介電常數(shù).由此可以看出當被測物理量使S,d或εr發(fā)生變化時，電容量C隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個參數(shù)不變而僅改變另一參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化單值地轉(zhuǎn)換為電容量的變化.因此，電容式傳感器可分為變面積型、變間距型和變介質(zhì)型3種類型.

本實驗設(shè)計中采用的是差動變面積型電容傳感器(線位移型)，其工作原理如圖8所示.傳感器由兩組定片1,2和一組動片3構(gòu)成，當安裝在振動臺上的動片上下改變位置時，與兩組定片間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容亦發(fā)生相應(yīng)變化，此稱為差動電容.如將上層定片與動片形成的電容定為Cx1，下層定片與動片形成的電容定為Cx2，當將Cx1和Cx2接入橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量變化有關(guān)，即與振動臺的位移有關(guān).

圖8 變面積型電容傳感器原理圖

4.2 實驗方法

本實驗設(shè)計是在CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀上完成的，按圖9連接好電路.電容變換器和差動放大器的增益適中；V/F表打2 V擋；裝上測微頭，帶動振動臺位移，使電容動片位于兩靜片中，此時差動放大器輸出應(yīng)為零.以此為起點，向上和向下移動動片，每次0.5 mm，直至動片與一組靜片全部重合為止.并記入表3.退回測微儀至初始位置，并開始反向旋動，同上，并將數(shù)據(jù)記錄到表3.

圖9 電容式傳感器測量電路圖

表3 電容傳感器測量微位移的實驗數(shù)據(jù)

4.3 數(shù)據(jù)處理與討論

由表3數(shù)據(jù)作出位移與輸出電壓對應(yīng)的曲線如圖10所示.

圖10 電容傳感器電壓-位移關(guān)系曲線

由上述可知，面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度高，適用于較大角位移及直線位移的測量.

5 結(jié)束語

選擇適當?shù)膫鞲衅?，配以不同的測量電路，就可以實現(xiàn)對微小位移的電測量，除以上介紹的幾種測量方法外，在實驗中還設(shè)計了用電渦流式、光纖位移式、光柵傳感器、磁柵實現(xiàn)對微小位移電測量的實驗原理和實驗方法.同時還設(shè)計了用同心徑向光柵測角位移的實驗，本系列實驗設(shè)計原理、方法可行，測量數(shù)據(jù)準確可靠，已成功地開設(shè)了專業(yè)實驗，在實驗教學和科學研究工作中發(fā)揮了其應(yīng)有的價值.

致謝，本論文實驗內(nèi)容得到河北大學物理實驗教學中心鼎力幫助，在此表示衷心感謝.

1 劉迎春. 傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用.長沙：國防科技大學出版社，2002

2 王化祥. 傳感器原理及應(yīng)用.天津：天津大學出版社，2004

3 郭振芹. 非電量電測量.北京：國防出版社，1986

4 CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀實驗指導書.浙江：浙江大學儀器系，1999

5 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用(第3版).西安：西安電子科技大學出版社，2008.7

6 江月松，閻平，劉振玉.光電技術(shù)與實驗.北京：北京理工大學出版社，2007

TheExperimentalDesignonSensorUsedinMeasuringMicrodisplacement

YangBowen

(HengshuiNo.1MiddleSchool,Hengshui,Hebei053000)

YangJingfa

(CollegeofPhysicsScienceandTechnology,HebeiUniversity,Baoding,Hebei071002)

Many physical quantities such as acceleration, pressure, strain, vibration and so on all may survey indirectly by surveying the microdisplacement. This article discussed using the sensor of Hall, the sensor of inductance, the sensor of electric capacity to realize the experimental principle, the experimental technique and the empirical data′s analysis and discussion which surveys the microdisplacement.

sensor；microdisplacement；Hall′s effect；differential motion transformer

楊博文(1999- )，男，在讀高中生.

指導教師：楊景發(fā)(1964- )，男，高級實驗師，主要從事實驗技術(shù)、光伏新能源、設(shè)施農(nóng)業(yè)等方面的研究.

2016-11-11)