傳感器用于微小位移測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊博文

(衡水第一中學(xué) 河北 衡水 053000)

楊景發(fā)

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

傳感器用于微小位移測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊博文

(衡水第一中學(xué) 河北 衡水 053000)

楊景發(fā)

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

許多物理量諸如加速度、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)等都可以通過(guò)測(cè)量微小位移來(lái)間接測(cè)量.討論了利用霍爾、電感式、電容式傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移測(cè)量的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析討論.

傳感器 微位移 霍爾效應(yīng) 差動(dòng)變壓器

1 引言

隨著現(xiàn)代測(cè)量、控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，它的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛.許多物理量如加速度、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)等都可以通過(guò)測(cè)量微小位移來(lái)間接測(cè)量.特別是在微型計(jì)算機(jī)廣為普及的今天，數(shù)據(jù)的采集、處理和自動(dòng)控制都采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同選擇相應(yīng)的傳感器，提供可靠準(zhǔn)確的信息，完成非電量的電測(cè)量.本文分別討論了利用霍爾、差動(dòng)變壓器、電容傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移測(cè)量的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法步驟，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論.該系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)必將在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究工作中發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值.

2 霍爾器件測(cè)量微位移

2.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)在z方向加上磁場(chǎng)Bz，則會(huì)在y方向獲得一個(gè)電場(chǎng)Ey，對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓Uy，常以UH表示，稱為霍爾電壓(見(jiàn)圖1霍爾效應(yīng)原理圖).

若采用N型半導(dǎo)體作材料，理論推導(dǎo)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(duì)于確定的樣品，UH的大小和正負(fù)只與Bz的方向和大小有關(guān)，或說(shuō)通過(guò)測(cè)量UH可以確定Bz的大小和方向.

用極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩個(gè)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(duì)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(duì)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(guò)測(cè)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(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)是在CSY系列傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀上完成的，按圖3連接電路.本實(shí)驗(yàn)采取直流激勵(lì)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(guò)螺動(dòng)千分尺的方式來(lái)完成.輸出UH可以通過(guò)指針式電壓表或數(shù)字電壓表讀出.

圖3 霍爾器件測(cè)量電路圖

裝上測(cè)微頭，調(diào)節(jié)振動(dòng)圓盤上、下位置，使霍爾元件位于梯度磁場(chǎng)中間位置.開(kāi)啟電源，調(diào)節(jié)測(cè)微頭和電橋WD，使差放輸出為零.上下移動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，使差放正負(fù)電壓輸出對(duì)稱.上、下移動(dòng)測(cè)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(cè)量微位移的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)出的實(shí)際上是磁場(chǎng)的分布情況，它的線性越好，位移測(cè)量的線性度也越好，它們的變化越陡，位移測(cè)量的靈敏度也越大.

若霍爾器件在均勻的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，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(lái)測(cè)量角位移.

3 電感式(差動(dòng)變壓器)傳感器測(cè)量微小位移

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

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

圖5 三段式差動(dòng)變壓器原理圖

若鐵芯沿x方向發(fā)生微小位移，則初級(jí)與兩次級(jí)間互感不等，輸出信號(hào)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(guò)測(cè)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(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)是在CSY系列傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(lì)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(shí)現(xiàn)對(duì)鐵芯移動(dòng)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(guò)螺動(dòng)千分尺完成.

圖6 電感式傳感器測(cè)量電路圖

調(diào)整電路，使0.5 mm位移對(duì)應(yīng)100 mV左右輸出，每0.05 mm測(cè)一點(diǎn)，共測(cè)21點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 差動(dòng)變壓器測(cè)量微位移的實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的曲線如圖7所示，該曲線類似霍爾器件.

本實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)自于零點(diǎn)殘余電壓(鐵芯置于中間位置時(shí)，存在的微小輸出電壓)，可通過(guò)在設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性；選用合適的測(cè)量電路以及采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路來(lái)消弱.

圖7 差動(dòng)變壓器電壓-位移關(guān)系曲線

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

4 電容式傳感器測(cè)位移

4.1 實(shí)驗(yàn)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(duì)介電常數(shù).由此可以看出當(dāng)被測(cè)物理量使S,d或εr發(fā)生變化時(shí)，電容量C隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用的是差動(dòng)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(dòng)片3構(gòu)成，當(dāng)安裝在振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片上下改變位置時(shí)，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(dòng)電容.如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定為Cx1，下層定片與動(dòng)片形成的電容定為Cx2，當(dāng)將Cx1和Cx2接入橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量變化有關(guān)，即與振動(dòng)臺(tái)的位移有關(guān).

圖8 變面積型電容傳感器原理圖

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

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

圖9 電容式傳感器測(cè)量電路圖

表3 電容傳感器測(cè)量微位移的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(diǎn)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(cè)量.

5 結(jié)束語(yǔ)

選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，配以不同的測(cè)量電路，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移的電測(cè)量，除以上介紹的幾種測(cè)量方法外，在實(shí)驗(yàn)中還設(shè)計(jì)了用電渦流式、光纖位移式、光柵傳感器、磁柵實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移電測(cè)量的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法.同時(shí)還設(shè)計(jì)了用同心徑向光柵測(cè)角位移的實(shí)驗(yàn)，本系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理、方法可行，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，已成功地開(kāi)設(shè)了專業(yè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究工作中發(fā)揮了其應(yīng)有的價(jià)值.

致謝，本論文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到河北大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jì)與應(yīng)用.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2002

2 王化祥. 傳感器原理及應(yīng)用.天津：天津大學(xué)出版社，2004

3 郭振芹. 非電量電測(cè)量.北京：國(guó)防出版社，1986

4 CSY系列傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).浙江：浙江大學(xué)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(xué)出版社，2008.7

6 江月松，閻平，劉振玉.光電技術(shù)與實(shí)驗(yàn).北京：北京理工大學(xué)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(dǎo)教師：楊景發(fā)(1964- )，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)技術(shù)、光伏新能源、設(shè)施農(nóng)業(yè)等方面的研究.

2016-11-11)