差动变压器性能实验数据处理优化

(江苏商贸职业学院，江苏 南通 226011)

信息时代，信息获取与转换成为人们一切社会活动的中心，传感器类似于人类的神经和感官系统，源源不断地向人类提供各种信息，已成为人类认识、改造自然的有力工具。传感器与检测技术课程与生产实践相结合，是一门理实一体化的课程，它为学生介绍各种传感器的工作原理及使用。通过本课程学习，学生能获得传感器相关的基本理论与技能，为以后从事工程技术工作与研究奠定理论基础。

差动变压器是一种互感式传感器，是一种广泛用于电子技术、非电量检测的传感器。它结构简单、形式多样，测量精度高、灵敏度高、性能可靠，主要用于测量位移和尺寸，并能测量转换成位移变化的各种物理量，如：加速度、应变、厚度、张力、振动等。

1 差动变压器的工作原理

差动变压器主要由一次线圈、二次线圈、衔铁、测杆等组成。根据内外层排列不同，差动变压器主要有二段式和三段式两种结构，一般采用三段式结构，结构如图1所示，两个匝数相同的二次线圈的同名端反向串接，引出差动输出。差动变压器原理如图2所示，当传感器随被测物体移动时，由于一次线圈和二次线圈间的互感量发生变化，从而使二次线圈的感应电动势输出发生变化，两个二次线圈中，一个二次线圈感应电动势增加，另一个二次线圈感应电动势减少，其输出电动势反映被测物理量的移动变化量。

2 差动变压器的性能实验步骤

本实验是在传感器系统综合实验台上开展的。江苏商贸职业学院采用的传感器系统综合实验台是模块式结构，每个实验模块对应一类传感器，模块上含有实验所需的测量电路、执行机构。根据实验要求，实验模块可以灵活组合，实验台上的仪器性能稳定、可靠，方便实用。

图1 差动变压器结构示意图

图2差动变压器结构示意图

差动变压器性能实验步骤如下：

1)将测微头固定在测微头支架上；

2)将二次线圈接成差动式结构；

3)将音频信号输入到一次线圈，二次线圈输出接相敏检波、低通滤波电路后，接到直流电压表；

4)旋转测微头，使电压表示值为最小(该最小值电压为差动变压器零点残余电压)。从电压表最小开始旋转测微头，每隔0.2 mm读出输出电压。再从电压表最小处反向位移做实验，并记录数据。

3 实验数据处理

3.1 传统实验数据处理过程中出现的问题

3.1.1 工作繁琐、精确度不高

在传统的传感器实验教学过程中，在实验数据处理这一环节，我们要求学生在计算纸上绘制传感器输入-输出特性曲线，然后根据绘制的曲线，找出参数，计算出传感器的灵敏度和非线性误差。这项工作比较繁琐、费时，而且在曲线绘制、找参数的过程中，也容易产生误差，算出的参数精确度不高。很多同学在做这一项工作时，容易出现差错，甚至有些同学觉得实验数据记录好就算完成实验了，都不愿意做这项工作，完全忽视实验数据处理这一环节。

3.1.2 传感器系统综合实验台智能化水平太高

有些传感器系统综合实验台智能化水平太高，在学生完成采集数据后，系统直接绘制传感器输入-输出特性曲线，并直接显示灵敏度、非线性误差，不需要学生做数据处理。但在实验教学过程中，培养学生实验数据处理的能力是很重要的，这便于学生在以后工作中或在工程研究中善于处理分析数据。

3.2 实验数据处理优化

3.2.1 实验数据

Excel软件是常用的办公软件，它可以进行各种数据的处理、统计、分析，引导学生利用Excel软件来处理传感器实验数据，可以高效地完成实验数据的处理。

一组差动变压器性能实验数据如表1所示。

表1 差动变压器位移与输出电压数据表

3.2.2 用Excel绘制拟合曲线

1)新建一个Excel表，将表1中的数据输入到表中；

2)选中所有数据，点击菜单栏“插入”按钮，选择“散点图”下面的下拉菜单中的数据点类型；

3)在出现的散点图中，点击一个点，会选中所有数据点，右击，在弹出的菜单中选择“添加趋势线”；

4)在 “设置趋势线格式”对话框中，选择趋势线类型为“线性”，勾选“显示公式”“显示R平均值”选项，完成后，关闭对话框；

5)在生成的散点图中，设置图形名称、坐标轴名称。

根据表1中的数据，由EXCEL表绘制的差动变压器输入-输出特性曲线、拟合曲线如图3所示。

3.2.3 实验结果处理

根据图3所示，拟合直线方程为y=0.43x+0.004 5,可得传感器灵敏度K=0.43 V/mm，通过公式y=0.43x+0.004 5算出拟合点值，进而算出测量值与拟合点值之间的误差，通过函数“ABS”算出误差绝对值。通过函数“MAX”选取误差绝对值中最大值△ymax得0.013 5 V，最后通过公式δ=△ymax/yFS×100%Q求出非线性误差为0.45%。实验数据处理结果如表2所示。

图3 差动变压器输入-输出特性图

表2 实验数据处理结果

表2 (续)

数据分析表明，差动变压器在一定测量范围内，非线性误差较小。

4 总结

在差动变压器实验教学中，由于实验数据多，所以传统的手工画图、计算是个繁琐的环节，甚至有学生因为工作量大而不完成这一环节的工作。为了高效地完成实验数据的处理，在差动变压器实验教学过程中，教师引导学生利用常用办公软件Excel来绘制散点图、进行数据处理分析。相比于传统方法，学生的实验处理数据得到了优化，实验报告的质量提高了，实验教学效果也得到了改善。