自制电感传感器测量微小位移

1　引　言

　　通过测量微小位移,可以计算出物体的热膨胀系数、磁致伸缩系数,从而深入了解物体的热性质和磁性质;测量微小位移,可以发现机械零部件的微小变化,了解机械运作的正常状况,防止机械故障的产生;测量微小位移,可以知道桥梁、水坝等建筑物的变形,从而采取有效的措施,防止重大事故的发生。用来测量微小位移的器件很多,通常采用光学的办法来测量0. 01mm以下微小位移。比如光杠杆的反射放大法、测量显微镜的放大法、激光干涉法、单缝衍射法[1, 2]。光学方法通常精度很高,有的可达纳米级,但是光学仪器成本昂贵,而且光学仪器要比较好的稳定性,不便随便移动,因此在实际应用当中受到很大限制。如果通过电感产生磁场来测量微小位移变化,则设备简单便宜,容易移动、组装,而且测量的精度也能达到1~5μm的范围[3],因此在生产生活中有比较高的利用价值。

2　实验原理

在利用磁场测量微小位移时,磁场的变化不易直接发现微小位移的变化,因此可以采用间接测量法,将磁场的变化转变成外电路电压的变化,然后通过测量外电路电压的变化来计算微小位移。用磁场测量微小位移的器材结构如图1所示,通常称为变磁阻式传感器.它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。实际测量中,为了提高测量灵敏度并减小非线性误差,采用差动变隙式电感传感器。由图2可知,由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与电感量变化ΔL有关[3, 4]。

　　变压器式交流电桥测量电路如图3所示,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压:

　　下面采用图2进行实验研究,当传感器的衔铁处于中间位置时,气隙厚度为δ0,有Z1=Z2=Z,此时.U0=0,电桥平衡。当传感器衔铁移动时,气隙厚度变化Δδ,Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时