关于感测器技术应用于量测系统研究

　  一、前言
　　本实验位移感测器採线性可变差分变压器属电磁气式，线性可变差分变压器中铁芯移动时感测器内部电压变化量可决定感测器位移量，其中线性可变差分变压器须靠交流信号解调放大器供电，并将交流信号解调放大器类比输出端与资料撷取卡连接，最后利用监测程式得知时间与电压输出关系图，以下将介绍实验用感测器、实验步骤、实验结果。该感测器具精度高、工作性佳、方便使用等特点，线性可变差分变压器可广泛应用于土木建筑、机械、航太、铁路、化工等，用来量测伸长位移、振动、物体厚度、膨胀等物理现象。
　　二、 仪器介绍
　　AL-32 交流信号解调放大器：
　　使用多如有限公司所制造的AL-32 AMP.，外观如图1.所示。
　　AL-32交流信号解调放大器为一动态放大器，全频宽10KHZ，可接多种换能器、温度感测器、加速度仪、荷重元、微位移计、扭力及压力感测器等，本实验将与位移感测器搭配使用。此仪器为三段电桥工作激发电压对地平衡驱动1/3/5Vac，工作频率1/3/10KHZ，内设三段可选择频宽之四阶主动滤波器使得量测杂讯减至最低，其可调增益范围为2～4000倍。
　　图 1 AL-32 交流信号解调放大器外观
　　图2.为前面板外观，各功能一览：
　　[ RES ]：自动平衡按钮，需时约4至16秒，动作时[ OVER ]灯亮起若不熄灭请检查接线与感测器之零点。
　　[ ON OFF ]：自动平衡功能开关。
　　[ Fine ]：自动平衡之微调或自动平衡功能关闭时之手动归零。
　　[ Gain A/O ]：类比输出增益调整。
　　[ Gain Coarse ]：增益粗调，粗调前面板显示数值。
　　[ Gain Fine ]：增益微调，微调前面板显示数值。
　　[ Phase ]：解调相位调整。
　　[ Cal ]：跨接校正开关。
　　图 3. AL-32 交流信号解调放大器后面板
　　[ CAL R ]：跨接校正电阻连接端子。
　　[ A/O ]：类比输出连接端子，可配合National Instruments美商国家仪器公司所制造的资料撷取卡NI USB-6218使用。
　　[ Transducer ]：各感测器输入端接头。
　　[ 220 AC 110 ]：使用电源电压切换开关，选择使用220或110伏特。
　　[ AC IN ]：电源输入接头，仅能以交流电方式。
　　[ Power ]：电源开关。
　　线性可变差分变压器：
　　线性可变差分变压器Linear Variable Differential Transformer，简称LVDT，外观如图4.所示。基本原理乃将压力元件变化位移量，转换成相对应的电压讯号输出，内部构造大致可分为主线圈、次级线圈1、次级线圈2如图5.所示，随量测位移过程中，中间铁芯位置可决定次级线圈所感应到的电压，而两个次级线圈所呈现的电压差即表总输出电压，经转换即为铁芯的移动位移量。因铁芯移动方向不同，使电压差会有正负之分，故亦可用电压输出变化判别LVDT之铁芯位移方向与位移量大小。
　　图 4. 线性可变差分变压器外观图
　　图 5. 线性可变差分变压器内部构造示意图（出处于原厂校正说明书）LVDT 优点如下：
　　1. 输出电压正比例于铁芯的位移，其线性准确度可达±0.1%～±1%的程度。
　　2. 铁芯位移变化 1 英吋可有 10～45mV 的电压变化，其灵敏度高。
　　3. 铁芯移动时，铁芯与线圈组件结构无机械接触故无摩擦，因此理想上有无限寿命。
　　4. 环境特性佳，外管採不锈钢材质，可达防潮效果；且为耐震元件，故耐衝撞性佳，即故障率低。
　　其缺点因受感测器尺寸限制，随不同量测情形应更换适当长度之位移感测器。
　　三、实际量测
　　为使实验准确性提高，先准备方格纸粘在平坦桌面，并准备刚性物品底部贴上双面胶，对准纸上方格并粘上，再将 LVDT 卡放至刚体上，以确保实验时 LVDT 固定不移动铁芯移动无歪斜，实验平台如图6. 所示。
　　实验中随 LVDT 铁芯移动，内部感应的电压讯号亦随之改变，将此讯号送入交流信号解调放大器，以硬体组态为 Differential 方式与资料撷取卡（NI USB-6218）配合使用，其中料撷取卡须与交流信号解调放大器做地线的连接，再经由手提电脑中监测系统 aa.exe 程式，显示时间与电压输出关系图。
　　图 6 LVDT 实验平台
　　四、实验步骤
　　1. 将手提电脑开啟，交流信号解调放大器接上电源与 LVDT，其类比输出连接端子与资料撷取卡 NI USB-6218 之 17 号与 18 号孔做正负极硬体组态为 Differential 方式线路连接，另资料撷取卡 28 号孔再接一条线与交流信号解调放大器金属外壳触碰做为地线，接着开啟手提电脑监测程式，选取频道 1 与硬体组态 Differential 即可开始实验。
　　2. 将交流信号解调放大器开啟后，[ OVER ]灯亮，按压[ RES ]钮并同时移动 LVDT 铁芯，使面板数值可显示最大值、零点、最小值，即[ OVER ]灯熄灭。其中面板数值之最大值、零点、最小值与显示方式有关，如以一般操作状态为例，最大值为 19.99、零点为 0、最小值为-19.99；如以显示类比输出电压状态为例，最大值、零点、最小值随校正[ Gain Coarse ]增益粗调与[ Gain Fine ]增益微调不同。
　　3. 不使用自动平衡功能开关，将此功能向左扳至 OFF。
　　图 7. 面板数值于 19.99
　　4. 交流信号解调放大器与 LVDT 搭配使用，採一般操作状态，面板数值可于 19.99 至-19.99 间跑动，将取 19.99 至-0.01 做为实验一单位，如图7 所示。移动铁芯位置，当面板呈 19.99 时于方格纸绘一红线，再继续按压铁芯位置，当面板呈-0.01 时于方格纸再绘一红线，经多次手动调整[ Gain Coarse ]增益粗调与[ GainFine ]增益微调，先调整增益粗调再微调增益微调，经多次尝试调整，使两红线间距恰与量尺 1 英吋长度相同，即较正完成，可将 1 英吋细分 2000 等分（20/0.01），届时可利用 LVDT 铁芯位移量配合欲量测位移实验，依面板数值推求实验位移其精度更高。
　　参考文献
　　[1] 高西全，丁玉美，阔永红编著.数字信号处理[M]. 电子工业出版社， 2006
　　[2] 张国雄，金篆芷主编.测控电路[M]. 机械工业出版社， 2001

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