劉炳言 李筱雅 李 瑩 陳 菁

(北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100083)

當(dāng)一線圈中的電流發(fā)生變化時，在臨近的另一線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，叫做互感現(xiàn)象，通過互感，可以實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，并在精密尺寸檢測、精密位移測量、機械運動的測量和控制、航空航天等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1，2]。

在位移監(jiān)測領(lǐng)域，很多位移傳感器都是接觸式的，經(jīng)過長時間的重復(fù)使用后難免磨損老化，從而在精度、可靠性、行程和壽命上都大打折扣，最終失去原本的效果[3-5]。針對以上問題，本文利用互感原理設(shè)計了一套非接觸式的位移監(jiān)測裝置：通過差動變壓器的形式進行裝置搭建，利用各種功能模塊電路對位移進行轉(zhuǎn)化，最終控制單片機將位移輸出顯示。除了對位移監(jiān)測裝置的設(shè)計，本文進行了大量的實驗探究，得到了多組數(shù)據(jù)，誤差范圍符合大學(xué)物理實驗的要求，從而較好地說明了設(shè)計的可行性與裝置的可應(yīng)用性。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理

如圖1，設(shè)計采用兩個次級線圈組成差動式變壓器，由初級線圈P和兩個次級線圈S1、S2以及使其磁耦合的可移動鐵芯構(gòu)成。工作時，P通入交變激勵電流，則S1、S2內(nèi)將產(chǎn)生和磁耦合都成比例的感應(yīng)電動勢，由于S1、S2反極性串聯(lián)，故次級輸出電壓的幅度及極性隨鐵芯的位置而變化，從而將位移量轉(zhuǎn)換為電信號[6]。

圖1 差動變壓器

1.2 位移監(jiān)測的設(shè)計方法

位移監(jiān)測的總體方案包括4個方面，如圖2所示。

圖2 位移監(jiān)測方案圖

1) 位移監(jiān)測部分

該電路主要由差動變壓器組成，差動變壓器中間鐵芯T1接被測物體，物體位移變化帶動中間鐵芯T1移動，當(dāng)初級繞組接入交流電源后，由于互感作用兩個次級繞組分別產(chǎn)生不等的電動勢，位移量不同，引起輸出電勢不同，因此完成了位移量向電壓值的轉(zhuǎn)換。其中，R1和R8是為了消除零點殘留電壓的補償外電路。

圖3 位移監(jiān)測電路

2) 整流濾波部分

圖4 整流濾波電路

為解決直接處理交流信號造成的電壓不穩(wěn)，從而使位移監(jiān)測不準確的問題，在測量電路之后加一個整流濾波電路，該整流濾波電路的整流部分用的是全波整流橋，整流橋由4個二極管組成，濾波部分用的是簡單的R-C濾波，將交流信號處理為直流信號。

3) 小信號放大部分

為放大測量電路的輸出端微小的電勢差，在整流濾波電路之后加小信號放大電路，從而使得被測物位移變化量更加明顯。該電路主要由運放U1及R1、R2、R3組成，輸入信號由R3接入該電路，該電路的電壓增益為K=1+R1/R2=101。該電路能將較小的電壓放大101倍，以方便后續(xù)操作。

圖5 小信號放大電路

4) 單片機顯示部分

本部分主要起到顯示的作用，使被測物位移變化量直觀地表示為顯示屏上的電壓值。單片機顯示部分采用的是Arduino 單片機，通過analogRead()函數(shù)進行模擬量讀取并進行A/D轉(zhuǎn)換，再根據(jù)其線性關(guān)系進行數(shù)據(jù)處理，最后利用lcd.print 輸出顯示到屏幕上[11]。

2 實驗裝置與測量

2.1 連接裝置并實驗驗證可行性

我們首先連接好信號源及穩(wěn)壓源，信號源頻率100kHz，幅值1.775Vpp，信號源調(diào)到正負15V雙電源供電，按下單片機上按鍵，以1mm的步長開始轉(zhuǎn)動讀數(shù)顯微鏡，并帶動鐵芯移動，單片機液晶顯示屏的讀數(shù)隨之變化，讀出顯示屏上數(shù)據(jù)如表1所示。

將表1中數(shù)據(jù)進行擬合，如圖6所示。

圖6 擬合關(guān)系圖像

由擬合圖像可以看出，位移量與輸出電壓基本呈正比關(guān)系，與理論相一致。

2.2 測量位移量

將讀數(shù)顯微鏡從25mm移動到20mm，觀察單片機讀數(shù)變化量；同理測量25mm移動到15mm，及25mm移動到10mm，分別測量7組數(shù)據(jù)，并求出平均值，計算相對誤差(見表2)。

表1 讀數(shù)與單片機顯示值對應(yīng)表

表2 位移理論值與測量平均值對比表

將實驗數(shù)據(jù)繪圖如下：

圖7 位移測量圖

數(shù)據(jù)的相對誤差都在3%以內(nèi)，符合大學(xué)物理實驗要求，精確度較高，并且測量的距離越長，誤差越小。誤差產(chǎn)生的主要來源于以下兩個方面：一方面是線圈繞制的匝數(shù)較少，造成互感產(chǎn)生的電壓信號不夠大；另一方面是隨著時間、溫度的變化，線路及電阻阻值會有所改變，從而導(dǎo)致輸出電壓上下波動造成誤差。

3 實驗應(yīng)用與推廣

3.1 檢測植物生長

電感式植物位移傳感器可用于檢測植物生長情況。如圖8所示，線圈固定而鐵芯可動，鐵芯的兩端分別連接砝碼和植物，植物的生長使掛在線上的另一端砝碼下降。由于砝碼的下降，會引起差動變壓器輸出電壓的變化。根據(jù)電壓變化即可測出植物生長[12]。

圖8 植物生長檢測圖

圖9 質(zhì)量檢測圖

3.2 檢測物體質(zhì)量

電感式位移傳感器可用于檢測物體質(zhì)量。如圖9所示，將被測物體放在下面粘有4根彈簧的托盤上，托盤下連接著可移動的鐵芯，彈簧固定在殼體上，殼體內(nèi)安裝有原副線圈和電源等。根據(jù)公式F=kx,托盤上的質(zhì)量變化引起重力的變化，從而引起彈簧長度的變化，放上物體后托盤向下移動帶動鐵芯移動。由于原副線圈是固定的，鐵芯移動引起差動變壓器輸出電壓的變化。根據(jù)電壓變化即可反推出物體質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文利用互感原理設(shè)計了位移監(jiān)測裝置并自行搭建了外圍電路，通過線圈內(nèi)部鐵芯的移動引起次級線圈內(nèi)感應(yīng)電動勢的變化，并將這種電壓變化輸出到單片機的顯示屏上，比較直觀地表示出位移與電壓變化的關(guān)系，從而測量出位移的大小，并把測量數(shù)據(jù)與讀數(shù)顯微鏡的驗證數(shù)據(jù)進行比較，其誤差在大學(xué)物理實驗允許范圍內(nèi)。在實驗測量結(jié)束后，本文又針對該裝置的設(shè)計特點，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，把裝置應(yīng)用到對植物的生長狀況檢測以及物理質(zhì)量的檢測中去，希望對教學(xué)或科研起到較好的啟發(fā)作用。

[1] 孟慶斌.電感式傳感器原理及在幾何計量工具檢定中的應(yīng)用趨勢[J].中國計量，2010,1(2):63-64.

Meng Qingbin. Principle of Inductive Sensor and Its Application in Geometrical Metrological Tools Verification[J]. China metering，2010,1(2): 63-64. (in Chinese)

[2] 余瑞芬.傳感器原理[M]. 北京:航空工業(yè)出版社，2004，40-60.

[3] 王兆安,劉進軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009,133-134.

[4] 江緝光,劉秀成.電路原理[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社,2007.

[5] 電感式直線位移傳感器在機床行業(yè)的應(yīng)用[J].國內(nèi)外機電一體化技術(shù).2011(1):42-43.

Tu Erke. Inductive Linear Displacement Sensor in Machine Tool Industry[J]. Domestic and international， mechanical and electrical integration technology， 2011(1): 42-43. (in Chinese)

[6] 李性珂,王輝.電路系統(tǒng)設(shè)計中電感式位移傳感器的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014(7):35-36.

Li Xingke, Wang Hui. Application of Inductive Displacement Sensor in Circuit System Design[J]. Network Security Technology and Application， 2014(7): 35-36. (in Chinese)

[7] Iddan G, Meron G, Glukhovsky A, et al.Wireless capsule endoscopy[J]. Nature, 2000, 405-417.

[8] Slobodan Babic, Cevdet Akyet. Improvement in calculation of the self-and mutual inductance of thin-wall solenoids and disk coils[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2000, 36(4): 1970-1975.

[9] 王先全,吳敏,董淳,等.電磁互感型傳感器的感應(yīng)機理及一種新型的位移傳感器[J].重慶工學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版.2008(4):85-88.

Wang Xianquan, Wu Min, Dong Chun, et al. Induction mechanism of electromagnetic mutual inductance sensor and a new type of displacement sensor[J]. Journal of Chongqing Institute of Technology (Natural Science), 2008(4): 85-88. (in Chinese)

[10] 王家立.電感位移傳感器及其信號線性化處理的研究[D].中國計量科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文，2010.

Wang Jiali. Study on Inductance Displacement Sensor and Its Signal Linearization Processing[D]. China Metrology Research Institute Master’s Thesis， 2010. (in Chinese)

[11] 于相斌,徐惠斌,李小奇.電感式傳感器測量轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2010(3):77-79.

Yu Xiangbin, Xu Huibin, Li Xiaoqi. Design of Inductive Sensor Measurement and Conversion Module[J]. Sensors and Microsystems, 2010(3): 77-79. (in Chinese)

[12] 喬曉軍，王成，張云鶴，等.一種測量植物莖稈生長的方法及原理[J].數(shù)字農(nóng)業(yè)研究進展，2005,33(4):230-231.

Qiao Xiaojun, Wang Cheng, Zhang Yun-he, et al. A method and principle for measuring plant stem growth[J]. Advances in Digital Agriculture, 2005, 33(4): 230-231. (in Chinese)