电感式传感器实验
实验项目编码：
实验项目时数：2
实验项目类型：综合性（） 设计性（）
一、实验目的
了解模拟量电感传感器的响应特性；熟悉评估测量的重复性、直线度和磁滞误差；掌握确定模拟量电感传感器的灵敏度。 验证性（√）
二、实验内容及基本原理
（一）实验内容
使用螺旋测微器带动电感式传感器衔铁横向位移，产生电感变化，利用测量电路，将电感变化转换成电压输出，从而将位移与电压输出建立联系。
（二）实验原理
差动变压器的工作原理电磁互感原理。差动变压器的结构如图1所示，由一个一次绕组1 和二个二次绕组2、3 及一个衔铁4 组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于把二个二次绕组反向串接(＊同名端相接)，以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响)，它的等效电路如图2所示。图中U1 为一次绕组激励电压；M1、M2 分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1 分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22 分别为两个二次绕组的电感；R21、R22 分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1 大，M2 小，
图1 差动变压器的结构示意图 图2 差动变压器的等效电路图
因而二次绕组L21 内感应电动势大于二次绕组L22 内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
差动变压器的输出特性曲线如图3所示.图中E21、E22 分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2 为差动输出电动势，x 表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2 的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0 为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
图3 差动变压器输出特性
1．尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
2．选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。
3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图4 是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2 时，可使零点残余电动势减小。
(a) (b) (c)
图4 减小零点残余电动势电路
三、实验用仪器与设备
1．主机箱中的±15V 直流稳压电源
2．音频振荡器
3．差动变压器
4．差动变压器实验模板
5．测微头
6．实验台中虚拟示波器（微机中带界面软件)。
四、实验方法与步骤
1．差动变压器、测微头及实验模板按图5示意安装、接线。
实验模板中的L1 为差动变压器的初级线圈，L2、L3 为次级线圈，＊号为同名端；L1 的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv 端子引入。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器的频率为4kHz～5kHz、幅度为峰峰值Vp-p＝2V 作为差动变压器初级线圈的
激励电压。
a .模拟双踪示波器设置提示：触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV 在0.1mS～10μS 范围内选择、触发方式选择AUTO 。垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、CH1灵敏度VOLTS/DIV 在0.5V～1V 范围内选择、CH2 灵敏度VOLTS/DIV 在0.1V～50mV 范围内选择。
b.数字示波器设置提示：选用不同型号的数字示波器请参照其说明书进行设置，一般情况下，选择示波器中的“AUTO”自动档位即可。
c.虚拟示波器设置提示：本实验室中配置了虚拟示波器，其具体操作按照实验教师的指导进行。
图5 差动变压器性能实验安装、接线示意图
2．差动变压器的性能实验：使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用如下a、b 两种方法实验，建议用b 方法可以检测到差动变压器零点残余电压附近的死区范围。
a、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0 刻度线对准轴套的10mm 刻度线。
松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p(峰峰值)为较小值(越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置)时，拧紧紧固螺钉。仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p 为最小值(零点残余电压)并定为位移的相对零点。这时可假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p 最小开始旋动测微头的微分筒，每隔△X=0.2mm(可取30 点值)从示波器上读出输出电压Vp-p 值，填入表1中，再将测位头位移退回到Vp-p 最小处开始反方向(也取30 点值)做相同的位移实验。
在实验过程中请注意：⑴从Vp-p 最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量需要仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点粗大误差继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。⑵当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p 最小处时它的位移读数有变化(没有回到原来起始位置)是正常的，做实验时位移取相对变化量△X 为定值，与测微头的起始点定在哪一根刻度线上没有关系，只要中途测微头微分筒不回调就不会引起机械回程误差。
*b、调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0 刻度线对准轴套的10mm 刻度线。松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p(峰峰值)为较小值(越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置)时，拧紧紧固螺钉，再顺时针方向转动测微头的微分筒12 圈，记录此时的测微头读数和示波器CH2 通道显示的波形Vp-p(峰峰值)值为实验起点值。以后，反方向(逆时针方向) 调节测微头的微分筒，每隔△X=0.2mm(可取60～70 点值)从示波器上读出输出电压Vp-p 值，填入表1中 (这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的机械回差)。
3．根据表1数据画出X－Vp-p 曲线并找出差动变压器的零点残余电压。实验完毕，关闭电源。
1．实验前请务必认真阅读本实验指导书，做好相关知识点预习。
2．严格遵守实验注意事项。
3．本次实验中使用了测微头（螺旋测微仪），请认真阅读预习资料：测微头的组成与使用。
六、实验注意事项
1．认真预习实验指导书，理解实验原理后方可进行实验。
2．检查接线无误后，请实验教师查看线路，经确认后合上主机箱电源开关
3．请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（⊥)短接，因短接时间长易造成电路故障。
4．在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。
5．实验接线时，要握住手柄插拔实验线，不能拉扯实验线。
6．实验完毕后关闭实验台电源开关。
七、思考题
1．试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
2．用直流电压激励会损坏传感器。为什么？
3．如何理解差动变压器的零点残余电压？用什么方法可以减小零点残余电压？