差动变压器式传感器测振动的理实一体化教学实践

刘 迅,吴文兵

(潍坊工程职业学院,山东 青州 262500)

0 引言

当前我国装备制造业迅猛发展,在国际上竞争力逐渐提升。智能化、自动化是产业转型升级的方向,传感技术是技术变革中的重要一环。传感器相当于“五官”,通信系统相当于神经,计算机相当于大脑,构成完整的检测控制系统。目前,传感器应用广泛,例如,楼道里的声控灯、家用电器、智能手机、汽车、医学检测设备、神舟系列载人飞船、C919大飞机等,在产品内部及其生产过程中传感器几乎无处不在。

产业的发展需要大量优秀的从业人员,从事家电、工程机械、汽车、医疗、航空、舰艇等多个领域的机电产品设计、制造、销售、维护等多个岗位,对高职机电一体化技术专业的人才培养提出了动态的高要求[1]。传感器与检测技术是高职机电一体化技术专业的一门专业核心课程。先导课程有电工电子技术等。教学重点是传感器的工作原理及应用,难点是测量与转换电路。高职生源来自于普高和中职,学生知识基础薄弱,但实践操作的愿望强烈。理实一体化教学有很好的实践需求[2]。

以差动变压器式传感器测教学为例,进行了理实一体化教学实践。

1 操作任务分解及发布实施过程

1.1 传感器认知

认识螺线管式差动变压器的一次绕组、二次绕组、测杆[3],如图1所示。将传感器、测微头、连接线安装好后,向一次绕组施加音频0°信号f=4～5 kHz,Vp-p=2 V的激励电压,用虚拟示波器双通道采集一次绕组和单个二次绕组的信号,移动测杆及衔铁的位置,观察二次绕组感应电动势幅值的变化,观察两路信号的相位关系,并保存波形文件。讲解电磁感应定律E=-N(dΦ/dt),周期性变化的磁场产生周期性变化的电场。

图1 螺线管式差动变压器结构

1.2 位移测量

将两个二次绕组的输出反向串联,双通道采集激励电压和输出电压,如图2所示。理想状态下,当衔铁在对称的中间位置时,两个二次绕组的感应电动势同频率、同相位、同幅值,输出电压为零[4-5]。在测量区间内当衔铁向上移动时,L2线圈感应电动势的幅值增加,L3的幅值减小,输出电压与激励电压同相且幅值逐渐增加。在测量区间内当衔铁向下移动时,L2线圈感应电动势的幅值减小,L3的幅值增加,输出电压与激励电压反相且幅值逐渐增加。

图2 差动变压器测位移接线

保存衔铁位于中间位置两侧的波形文件,重点关注相位变化和幅值变化。在某位移处采集差分减法运算电路的输入输出信号,测试其放大功能。提出问题“单独采集输出交流信号,幅值能反映位移大小,但反映不出位移的方向”,如何解决辨向问题?可用相敏检波器辨向。

1.3 移相器、相敏检波器、低通滤波器功能测试

将音频0°信号f=4～5 kHz,Vp-p=2 V接移相器输入端,如图3所示。虚拟示波器双通道采集输入输出信号波形,调节旋钮,测试移相器的移相范围,并观察幅值的变化。保存两个极限位置的波形文件。提出问题“移相器在后续起什么作用”。

图3 移相器及内部电路

图4 相敏检波器及内部电路

图5 相敏检波器部分波形

表1 相敏检波器波形

图6为双通道采集低通滤波器输入输出信号波形。输入为低频信号时,调节频率在0～30 Hz变化,观察输出信号的幅值变化。将低频改为音频,观察输出信号的幅值。保存波形文件,并得到结论:低频信号通过,高频信号滤掉。

图6 低通滤波器及内部电路

1.4 测振动

在分解操作的基础上,根据实训指导书进行测振动项目的安装接线和测试,如图7所示。分别采集放大电路输出端、相敏检波器输出端和低通滤波器输出端的波形,并保存波形文件,分别为由位移对音频载波信号调制后的包络波形、正负极性波形和解调后的振动信号波形,如图8所示。既能测量位移的大小,又能反映位移的方向。

图7 差动变压器测振动接线

图8 调制波、相敏检波及低通滤波输出示意

在教学实践中,学生能根据明确的项目任务要求,完成电路的接线和设备的安装调试,取得正确的实训结果,即差动变压器式传感器能够测位移和振动。对传感器连接线的卡扣设计和螺纹连接能够很好运用。经过训练,电路连接规范有序。

2 差动变压器式传感器应用拓展

差动变压器式传感器的测杆位移可以由滚柱产品的直径引起[6],也可以由压强敏感元件膜盒的变形引起或者是反映液位高低的浮筒引起。传感器的输出可以实现测量及应用于后续的自动控制系统。

3 电路分析

3.1 差分减法运算电路

信号的放大采用了差分减法运算电路,如图9所示。在电子技术课程[7]已学习式(1),在传感器课程实训中广泛采用。

图9 差分减法运算电路

(1)

3.2 移相器电路

根据移相器的相关参数可用式(2)确定移相范围。

IC1

IC2

(2)

R1=R3,R4=R6

3.3 相敏检波器电路

相敏检波器中,IC1构成过零电压比较器,可将控制端信号整形成方波。控制信号为负,整形信号为+10 V时二极管截止,N沟道结型场效应管构成的电子开关UGS=0 V,开关打开,IC2进行反相运算,调节Rw=R4,检波器输出信号与输入信号同幅反相。控制信号为正,整形信号为-10 V时二极管导通,N沟道结型场效应管构成的电子开关UGS=-10 V,开关关断,IC2工作在同相跟随状态,检波器输出信号与输入信号同幅同相。测杆位于中位以上时,差动变压器式传感器经反向串联放大后的输出与激励电压实际有微小相移,通过移相器实现同相,经过相敏检波器输出为正半周包络波形。测杆位于中位以下时,经过相敏检波器输出为负半周包络波形。

3.4 低通滤波器电路

滤波器采用压控电压源二阶低通滤波器,其幅频特性分析对计算能力提出了更高的要求式(3)。根据周期信号的傅里叶级数展开式[8],其直流分量为一个周期内的平均值,可以通过低通滤波器。本项目的基波和谐波分量都被滤掉。低通滤波器输出振动信号波形。

R1=R2=R,C1=C2=C

(3)

4 理实一体化教学实践总结及评价

教学实践中体现出了明确的阶梯式设计。差动变压器式传感器的原理、各电路模块的功能测试操作和结论记忆、整个项目的完成是第一层级,必须掌握,教学反馈也证明学生在该任务层级学习主动性强,能实现该层级目标,自信心得到了加强。相敏检波器内部的整形电路分析、二极管的工作状态、结型场效应管的通断、同相反相分,以及移动不同相位角的相敏检波器输入输出信号分均为是第二层级,该任务层级学生经过多次练习能够掌握信号波形对应关系,但学习主动性普遍下降。复数计算和傅里叶级数为第三层级,学生普遍不感兴趣,只能稍作介绍以供了解,为学有余力的学生打开一扇窗。理实一体化教学实践也为后续的评价方案提供了依据和方法,即以实践考核为主,理论考核为辅。多个学期的教学实践证明该教学模式能与学生的岗位实践和工作相适应。