差動變壓器式傳感器測振動的理實一體化教學實踐

劉 迅,吳文兵

(濰坊工程職業學院,山東 青州 262500)

0 引言

當前我國裝備制造業迅猛發展,在國際上競爭力逐漸提升。智能化、自動化是產業轉型升級的方向,傳感技術是技術變革中的重要一環。傳感器相當于“五官”,通信系統相當于神經,計算機相當于大腦,構成完整的檢測控制系統。目前,傳感器應用廣泛,例如,樓道里的聲控燈、家用電器、智能手機、汽車、醫學檢測設備、神舟系列載人飛船、C919大飛機等,在產品內部及其生產過程中傳感器幾乎無處不在。

產業的發展需要大量優秀的從業人員,從事家電、工程機械、汽車、醫療、航空、艦艇等多個領域的機電產品設計、制造、銷售、維護等多個崗位,對高職機電一體化技術專業的人才培養提出了動態的高要求[1]。傳感器與檢測技術是高職機電一體化技術專業的一門專業核心課程。先導課程有電工電子技術等。教學重點是傳感器的工作原理及應用,難點是測量與轉換電路。高職生源來自于普高和中職,學生知識基礎薄弱,但實踐操作的愿望強烈。理實一體化教學有很好的實踐需求[2]。

以差動變壓器式傳感器測教學為例,進行了理實一體化教學實踐。

1 操作任務分解及發布實施過程

1.1 傳感器認知

認識螺線管式差動變壓器的一次繞組、二次繞組、測桿[3],如圖1所示。將傳感器、測微頭、連接線安裝好后,向一次繞組施加音頻0°信號f=4～5 kHz,Vp-p=2 V的激勵電壓,用虛擬示波器雙通道采集一次繞組和單個二次繞組的信號,移動測桿及銜鐵的位置,觀察二次繞組感應電動勢幅值的變化,觀察兩路信號的相位關系,并保存波形文件。講解電磁感應定律E=-N(dΦ/dt),周期性變化的磁場產生周期性變化的電場。

圖1 螺線管式差動變壓器結構

1.2 位移測量

將兩個二次繞組的輸出反向串聯,雙通道采集激勵電壓和輸出電壓,如圖2所示。理想狀態下,當銜鐵在對稱的中間位置時,兩個二次繞組的感應電動勢同頻率、同相位、同幅值,輸出電壓為零[4-5]。在測量區間內當銜鐵向上移動時,L2線圈感應電動勢的幅值增加,L3的幅值減小,輸出電壓與激勵電壓同相且幅值逐漸增加。在測量區間內當銜鐵向下移動時,L2線圈感應電動勢的幅值減小,L3的幅值增加,輸出電壓與激勵電壓反相且幅值逐漸增加。

圖2 差動變壓器測位移接線

保存銜鐵位于中間位置兩側的波形文件,重點關注相位變化和幅值變化。在某位移處采集差分減法運算電路的輸入輸出信號,測試其放大功能。提出問題“單獨采集輸出交流信號,幅值能反映位移大小,但反映不出位移的方向”,如何解決辨向問題?可用相敏檢波器辨向。

1.3 移相器、相敏檢波器、低通濾波器功能測試

將音頻0°信號f=4～5 kHz,Vp-p=2 V接移相器輸入端,如圖3所示。虛擬示波器雙通道采集輸入輸出信號波形,調節旋鈕,測試移相器的移相范圍,并觀察幅值的變化。保存兩個極限位置的波形文件。提出問題“移相器在后續起什么作用”。

圖3 移相器及內部電路

圖4 相敏檢波器及內部電路

圖5 相敏檢波器部分波形

表1 相敏檢波器波形

圖6為雙通道采集低通濾波器輸入輸出信號波形。輸入為低頻信號時,調節頻率在0～30 Hz變化,觀察輸出信號的幅值變化。將低頻改為音頻,觀察輸出信號的幅值。保存波形文件,并得到結論:低頻信號通過,高頻信號濾掉。

圖6 低通濾波器及內部電路

1.4 測振動

在分解操作的基礎上,根據實訓指導書進行測振動項目的安裝接線和測試,如圖7所示。分別采集放大電路輸出端、相敏檢波器輸出端和低通濾波器輸出端的波形,并保存波形文件,分別為由位移對音頻載波信號調制后的包絡波形、正負極性波形和解調后的振動信號波形,如圖8所示。既能測量位移的大小,又能反映位移的方向。

圖7 差動變壓器測振動接線

圖8 調制波、相敏檢波及低通濾波輸出示意

在教學實踐中,學生能根據明確的項目任務要求,完成電路的接線和設備的安裝調試,取得正確的實訓結果,即差動變壓器式傳感器能夠測位移和振動。對傳感器連接線的卡扣設計和螺紋連接能夠很好運用。經過訓練,電路連接規范有序。

2 差動變壓器式傳感器應用拓展

差動變壓器式傳感器的測桿位移可以由滾柱產品的直徑引起[6],也可以由壓強敏感元件膜盒的變形引起或者是反映液位高低的浮筒引起。傳感器的輸出可以實現測量及應用于后續的自動控制系統。

3 電路分析

3.1 差分減法運算電路

信號的放大采用了差分減法運算電路,如圖9所示。在電子技術課程[7]已學習式(1),在傳感器課程實訓中廣泛采用。

圖9 差分減法運算電路

(1)

3.2 移相器電路

根據移相器的相關參數可用式(2)確定移相范圍。

IC1

IC2

(2)

R1=R3,R4=R6

3.3 相敏檢波器電路

相敏檢波器中,IC1構成過零電壓比較器,可將控制端信號整形成方波。控制信號為負,整形信號為+10 V時二極管截止,N溝道結型場效應管構成的電子開關UGS=0 V,開關打開,IC2進行反相運算,調節Rw=R4,檢波器輸出信號與輸入信號同幅反相。控制信號為正,整形信號為-10 V時二極管導通,N溝道結型場效應管構成的電子開關UGS=-10 V,開關關斷,IC2工作在同相跟隨狀態,檢波器輸出信號與輸入信號同幅同相。測桿位于中位以上時,差動變壓器式傳感器經反向串聯放大后的輸出與激勵電壓實際有微小相移,通過移相器實現同相,經過相敏檢波器輸出為正半周包絡波形。測桿位于中位以下時,經過相敏檢波器輸出為負半周包絡波形。

3.4 低通濾波器電路

濾波器采用壓控電壓源二階低通濾波器,其幅頻特性分析對計算能力提出了更高的要求式(3)。根據周期信號的傅里葉級數展開式[8],其直流分量為一個周期內的平均值,可以通過低通濾波器。本項目的基波和諧波分量都被濾掉。低通濾波器輸出振動信號波形。

R1=R2=R,C1=C2=C

(3)

4 理實一體化教學實踐總結及評價

教學實踐中體現出了明確的階梯式設計。差動變壓器式傳感器的原理、各電路模塊的功能測試操作和結論記憶、整個項目的完成是第一層級,必須掌握,教學反饋也證明學生在該任務層級學習主動性強,能實現該層級目標,自信心得到了加強。相敏檢波器內部的整形電路分析、二極管的工作狀態、結型場效應管的通斷、同相反相分,以及移動不同相位角的相敏檢波器輸入輸出信號分均為是第二層級,該任務層級學生經過多次練習能夠掌握信號波形對應關系,但學習主動性普遍下降。復數計算和傅里葉級數為第三層級,學生普遍不感興趣,只能稍作介紹以供了解,為學有余力的學生打開一扇窗。理實一體化教學實踐也為后續的評價方案提供了依據和方法,即以實踐考核為主,理論考核為輔。多個學期的教學實踐證明該教學模式能與學生的崗位實踐和工作相適應。