利用互感原理设计非接触式位移监测装置的实验研究

刘炳言 李筱雅 李 莹 陈 菁

(北京林业大学理学院，北京 100083)

当一线圈中的电流发生变化时，在临近的另一线圈中会产生感应电动势，叫做互感现象，通过互感，可以实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，并在精密尺寸检测、精密位移测量、机械运动的测量和控制、航空航天等许多领域有广泛的应用[1，2]。

在位移监测领域，很多位移传感器都是接触式的，经过长时间的重复使用后难免磨损老化，从而在精度、可靠性、行程和寿命上都大打折扣，最终失去原本的效果[3-5]。针对以上问题，本文利用互感原理设计了一套非接触式的位移监测装置：通过差动变压器的形式进行装置搭建，利用各种功能模块电路对位移进行转化，最终控制单片机将位移输出显示。除了对位移监测装置的设计，本文进行了大量的实验探究，得到了多组数据，误差范围符合大学物理实验的要求，从而较好地说明了设计的可行性与装置的可应用性。

1 实验原理与方法

1.1 实验原理

如图1，设计采用两个次级线圈组成差动式变压器，由初级线圈P和两个次级线圈S1、S2以及使其磁耦合的可移动铁芯构成。工作时，P通入交变激励电流，则S1、S2内将产生和磁耦合都成比例的感应电动势，由于S1、S2反极性串联，故次级输出电压的幅度及极性随铁芯的位置而变化，从而将位移量转换为电信号[6]。

图1 差动变压器

1.2 位移监测的设计方法

位移监测的总体方案包括4个方面，如图2所示。

图2 位移监测方案图

1) 位移监测部分

该电路主要由差动变压器组成，差动变压器中间铁芯T1接被测物体，物体位移变化带动中间铁芯T1移动，当初级绕组接入交流电源后，由于互感作用两个次级绕组分别产生不等的电动势，位移量不同，引起输出电势不同，因此完成了位移量向电压值的转换。其中，R1和R8是为了消除零点残留电压的补偿外电路。

图3 位移监测电路

2) 整流滤波部分

图4 整流滤波电路

为解决直接处理交流信号造成的电压不稳，从而使位移监测不准确的问题，在测量电路之后加一个整流滤波电路，该整流滤波电路的整流部分用的是全波整流桥，整流桥由4个二极管组成，滤波部分用的是简单的R-C滤波，将交流信号处理为直流信号。

3) 小信号放大部分

为放大测量电路的输出端微小的电势差，在整流滤波电路之后加小信号放大电路，从而使得被测物位移变化量更加明显。该电路主要由运放U1及R1、R2、R3组成，输入信号由R3接入该电路，该电路的电压增益为K=1+R1/R2=101。该电路能将较小的电压放大101倍，以方便后续操作。

图5 小信号放大电路

4) 单片机显示部分

本部分主要起到显示的作用，使被测物位移变化量直观地表示为显示屏上的电压值。单片机显示部分采用的是Arduino 单片机，通过analogRead()函数进行模拟量读取并进行A/D转换，再根据其线性关系进行数据处理，最后利用lcd.print 输出显示到屏幕上[11]。

2 实验装置与测量

2.1 连接装置并实验验证可行性

我们首先连接好信号源及稳压源，信号源频率100kHz，幅值1.775Vpp，信号源调到正负15V双电源供电，按下单片机上按键，以1mm的步长开始转动读数显微镜，并带动铁芯移动，单片机液晶显示屏的读数随之变化，读出显示屏上数据如表1所示。

将表1中数据进行拟合，如图6所示。

图6 拟合关系图像

由拟合图像可以看出，位移量与输出电压基本呈正比关系，与理论相一致。

2.2 测量位移量

将读数显微镜从25mm移动到20mm，观察单片机读数变化量；同理测量25mm移动到15mm，及25mm移动到10mm，分别测量7组数据，并求出平均值，计算相对误差(见表2)。

表1 读数与单片机显示值对应表

表2 位移理论值与测量平均值对比表

将实验数据绘图如下：

图7 位移测量图

数据的相对误差都在3%以内，符合大学物理实验要求，精确度较高，并且测量的距离越长，误差越小。误差产生的主要来源于以下两个方面：一方面是线圈绕制的匝数较少，造成互感产生的电压信号不够大；另一方面是随着时间、温度的变化，线路及电阻阻值会有所改变，从而导致输出电压上下波动造成误差。

3 实验应用与推广

3.1 检测植物生长

电感式植物位移传感器可用于检测植物生长情况。如图8所示，线圈固定而铁芯可动，铁芯的两端分别连接砝码和植物，植物的生长使挂在线上的另一端砝码下降。由于砝码的下降，会引起差动变压器输出电压的变化。根据电压变化即可测出植物生长[12]。

图8 植物生长检测图

图9 质量检测图

3.2 检测物体质量

电感式位移传感器可用于检测物体质量。如图9所示，将被测物体放在下面粘有4根弹簧的托盘上，托盘下连接着可移动的铁芯，弹簧固定在壳体上，壳体内安装有原副线圈和电源等。根据公式F=kx,托盘上的质量变化引起重力的变化，从而引起弹簧长度的变化，放上物体后托盘向下移动带动铁芯移动。由于原副线圈是固定的，铁芯移动引起差动变压器输出电压的变化。根据电压变化即可反推出物体质量。

4 结语

本文利用互感原理设计了位移监测装置并自行搭建了外围电路，通过线圈内部铁芯的移动引起次级线圈内感应电动势的变化，并将这种电压变化输出到单片机的显示屏上，比较直观地表示出位移与电压变化的关系，从而测量出位移的大小，并把测量数据与读数显微镜的验证数据进行比较，其误差在大学物理实验允许范围内。在实验测量结束后，本文又针对该装置的设计特点，拓展其应用领域，把装置应用到对植物的生长状况检测以及物理质量的检测中去，希望对教学或科研起到较好的启发作用。

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