生物医学传感器及应用-第五章-电感式传感器

1、生物医学传感器及应用生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系第五章 电感式传感器生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系 第5章 电感式传感器 生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系 第5章 电感式传感器 生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系 第5章 电感式传感器 5.1 自感式电感传感器5.2 差动变压器式电感传感器5.3 电涡流式传感器5.4 电感式传感器的应用生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系自感式电感传感器：利用线圈自感量自感式电感传感器：利用线圈自感量的变化来实现测量的。的变化来实现测量的。传感器结构：传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部线圈、铁芯和衔铁三部分组成。分组成。一

2、、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理5.1 自感式电感传感器线圈中电感量：线圈中电感量：MRININL线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁工作原理：工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如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，气隙厚度为有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。线圈的电感量变化。因此只要能测出这种电感量的变化，因此只要能测出这种电感量的变

3、化，就能确定就能确定衔铁位移量的大小和方向衔铁位移量的大小和方向。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、自感式传感器工作原理一、自感式传感器工作原理5.1 自感式电感传感器MRININLRRF2202ANRNLAR02222111AlAlRFRRRFMARRm02线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l1l2生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系变磁阻式传感器即自感式电感传感器变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：的基本类型：二、自感式传感器基本类型二、自感式传感器基本类型5.1 自感式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁（1 1）变气隙厚度式）变气隙厚度式（2 2）变气隙面积式）变气隙面积式变

4、截面式和螺管式变截面式和螺管式线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系三、自感式电感传感器输出特性三、自感式电感传感器输出特性5.1 自感式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁当当/0R，则有，则有Z1+Z2j(L1+L2)电感式传感器的测量电路：电感式传感器的测量电路：交流电桥、变压器式交流电桥以及交流电桥、变压器式交流电桥以及谐振式等。谐振式等。 1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系电桥输出电压为电桥输出电压为七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器线性处理后

5、电桥输出电压为线性处理后电桥输出电压为1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路)()(21LLURZZZRUo差动式传感器的电感灵敏度差动式传感器的电感灵敏度K0为为0002/LLK 变间隙差动式电感传感器的灵敏变间隙差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。度是单线圈式的两倍。 差动式的线性度明显改善。差动式的线性度明显改善。 002LUo输出电压与输出电压与成正比。成正比。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系曲线曲线1、2为两线圈各自电感特性；为两线圈各自电感特性；曲线曲线3为两线圈差接时的电感特性；为两线圈差接时的电感特性；曲线曲线4为差接后电桥输出电压与衔铁为差接后电桥输出电

6、压与衔铁位移的特性曲线。位移的特性曲线。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路U0L/mH/mmL043211234-电桥输出特性：电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量电桥输出电压大小与衔铁位移量有关，相位与衔铁移动方向有关。有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动为负，则为负，则U0为为负；衔铁向下移动负；衔铁向下移动为正，则为正，则U0为正，为正，相位差相位差180。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系变压器式交流电桥测量电路，电桥变压器式交流电桥测量电路，电桥两桥臂分别为传

7、感器两线圈的阻抗，另两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥测量时被测件与传感器测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间衔铁相连，当衔铁处于中间位置，即位置，即Z1=Z2=Z时电桥输时电桥输出电压为零，电桥平衡。出电压为零，电桥平衡。 Z1Z2IABCD0U2U2UoU2212112212UZZZZUUZZZUUUBAo当负载阻抗为无穷大时，桥路

8、输出当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为电压为 生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系当传感器衔铁上移时，当传感器衔铁上移时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，若线圈的，若线圈的Q值很高，损耗电值很高，损耗电阻可忽略，则阻可忽略，则桥路输出电压为桥路输出电压为 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥当衔铁上下移动相同距当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。要判断衔铁等而相位相反。要判断衔铁方向需要经过相敏检波电路方向需要经过相敏检波电路的处理。的处理。 Z1Z2IABCD0U

9、2U2UoU2222112ULLUZZUZZZZUo2222112ULLUZZUZZZZUo当传感器衔铁下移时，当传感器衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，桥路输出电压为桥路输出电压为 生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系 衔铁中间位置衔铁中间位置七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器3 3、相敏检波测量电路、相敏检波测量电路1L2LEFJKGH21LL HGUU 衔铁上移衔铁上移L1增大，自

10、感电动势增加；增大，自感电动势增加；L2减小，自感电动势减少。减小，自感电动势减少。 正半周正半周E点电势高，点电势高，F点低点低通路通路EJGF，UG降低降低通路通路EKHF，UH升高升高HGUU 负半周负半周F点电势高，点电势高，E点低点低通路通路EJHF，UG降低降低通路通路EKGF，UH升高升高HGUU 结论：结论：无论是正半周还是负半周，无论是正半周还是负半周，衔铁上移时衔铁上移时UGUH。衔铁下移时，衔铁下移时，UGUH;衔铁上移时，衔铁上移时，UGUH。通过相敏检波电路输出电压的通过相敏检波电路输出电压的正负可判断衔铁位移的方向。正负可判断衔铁位移的方向。相敏检波电路输出电压的相

11、敏检波电路输出电压的大小和正负大小和正负判断衔铁位移的判断衔铁位移的大小和方向。大小和方向。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系两类谐振式测量电路：两类谐振式测量电路：谐振式调幅电路；谐振式调频电路谐振式调幅电路；谐振式调频电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器4 4、谐振式测量电路、谐振式测量电路（1）谐振式调幅电路）谐振式调幅电路传感器电感传感器电感L与电容与电容C、 变压器原边串联变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边输出电压，在一起，接入交流电源，变压器副边输出电压，电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感电压的频率与电源频率相同，

12、而幅值随着电感L而变化。而变化。输出电压与电感的关系曲线中输出电压与电感的关系曲线中L0为谐振点为谐振点的电感值，电路灵敏度很高，的电感值，电路灵敏度很高， 但线性差，适用但线性差，适用于线性度要求不高的场合。于线性度要求不高的场合。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器4 4、谐振式测量电路、谐振式测量电路（2）谐振式调频电路）谐振式调频电路调频电路的基本原理：调频电路的基本原理：传感器电感传感器电感L的变化引起输出电压频率的变化。的变化引起输出电压频率的变化。通常传感器电感通常传感器电感L和电容和电容C接入一个接

13、入一个振荡回路中，其振荡频率为振荡回路中，其振荡频率为当当L变化时，振荡频率随之变化，根变化时，振荡频率随之变化，根据据频率频率的大小即可测出被测量的值。的大小即可测出被测量的值。振荡频率振荡频率与与电感变化之间电感变化之间具有严重的具有严重的非线性关系。非线性关系。 )2/(1LCf生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器5 5、零点残余电压、零点残余电压自感式传感器测量电桥电路，当两线自感式传感器测量电桥电路，当两线圈的阻抗相等，即圈的阻抗相等，即Z1=Z2时，电桥平衡，时，电桥平衡，输出电压为零。输出电压为零。传

14、感器阻抗是一个复阻抗，为了达到传感器阻抗是一个复阻抗，为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感也要相等。线圈的电感也要相等。实际上这种情况是不能精确达到的，因而在传感器输入量为零实际上这种情况是不能精确达到的，因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压时，电桥有一个不平衡输出电压Uo。在输出电压与活动衔铁位移的关系曲线图中，虚线为理论特性在输出电压与活动衔铁位移的关系曲线图中，虚线为理论特性曲线，实线为实际特性曲线。传感器在零位移时的输出电压称为曲线，实线为实际特性曲线。传感器在零位移时的输出电压称为零零点残余电压点残余电压，记作，记作

15、Uo。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器5 5、零点残余电压、零点残余电压（1）零点残余电压产生原因）零点残余电压产生原因零点残余电压主要由基波分量和高次零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。谐波分量组成。 两电感线圈的电气参数及导磁体两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。电压的基波分量。 传感器导磁材料磁化曲线的非线传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱

16、和、磁滞损耗），使激励电性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而形成零点残余流与磁通波形不一致，从而形成零点残余电压的高次谐波分量。电压的高次谐波分量。（2）零点残余电压）零点残余电压的影响的影响 传感器输出特性传感器输出特性在零点附近不灵敏，限在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。制了分辨率的提高。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路5.1 自感式电感传感器5 5、零点残余电压、零点残余电压 在电路上进行补在电路上进行补偿。偿。这是一种既简单又这是一种既简单又行之有效的方法。行之有效的方法。（2）零点残余电压的影响）

17、零点残余电压的影响 零点残余电压太大，使线性度变零点残余电压太大，使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。测量的变化。（3）减小零点残余电压的措施）减小零点残余电压的措施 在设计和工艺上，力求做到磁路在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线圈绕制要均去机械应力和改善磁性；两线圈绕制要均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。生物医学传感器及应用医学院生物

18、医学工程系 第5章 电感式传感器 5.1 变磁阻式电感传感器5.2 差动变压器式电感传感器5.3 电涡流式传感器5.4 电感式传感器的应用生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系差动变压器式互感传感器差动变压器式互感传感器5.2 差动变压器式电感传感器基本概念基本概念互感式传感器：互感式传感器：被测的非电量变化转被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。换为线圈互感变化的传感器。M1234次次级级线线圈圈初初级级线线圈圈基本种类基本种类有变隙式、变面积式和螺线管式等。有变隙式、变面积式和螺线管式等。应用最多的是螺线管式差动变压器。应用最多的是螺线管式差动变压器。基本结构：基本结构：主要包括有

19、衔铁、初级绕主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组用组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组用差动形式连接，也差动变压器式传感器。差动形式连接，也差动变压器式传感器。 工作原理类似于变压器。初、次级绕工作原理类似于变压器。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组绕组间的互感随被测位移的改变而变化间的互感随被测位移的改变而变化。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、螺线管式差动变压器二、变隙式差动变压器三、差动变压器式传感器测量电路5.2 差动变压器式电感传感器生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、螺线管式差动变压器一、螺线管式差动变

20、压器5.2 差动变压器式电感传感器1 1、螺线管式差动变压器结构与原理、螺线管式差动变压器结构与原理（1）螺线管式差动变压器结构）螺线管式差动变压器结构由初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中由初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。两个次级线圈反向串央的圆柱形铁芯等组成。两个次级线圈反向串联，构成差动式。联，构成差动式。根据初、次级线圈排列不同，螺管式差动根据初、次级线圈排列不同，螺管式差动变压器有变压器有二节式、三节式、四节式和五节式二节式、三节式、四节式和五节式等等形式。形式。1 初级线圈；初级线圈；2 次级线；次级线；3 衔铁；衔铁；4导杆导杆1223432121123 二

21、节式二节式 三节式三节式 四节式四节式 五节式五节式生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、螺线管式差动变压器一、螺线管式差动变压器5.2 差动变压器式电感传感器1 1、螺线管式差动变压器结构与原理、螺线管式差动变压器结构与原理（2）螺线管式差动变压器等效电路）螺线管式差动变压器等效电路在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下等效电路。布电容的理想条件下等效电路。根据电磁感应原理有根据电磁感应原理有变压器两次级绕组反变压器两次级绕组反向串联，则差动变压器输向串联，则差动变压器输出电压为零。出电压为零。baEE22设差动变压器中初级线圈的匝数为设差动变压

22、器中初级线圈的匝数为W1，两个次级线圈的匝数分别为，两个次级线圈的匝数分别为W1a和和W1b。当初级绕组加以激励电压时，根。当初级绕组加以激励电压时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组据变压器的工作原理，在两个次级绕组中便会产生感应电势。中便会产生感应电势。若工艺上保证变压器结构完全对称若工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数相等。然会使两互感系数相等。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、螺线管式差动变压器一、螺线管式差动变压器5.2 差动变压器式电感传感器2 2、螺线管式差动变压器输出特性、螺线管式差动变压

23、器输出特性当衔铁移向次级绕组当衔铁移向次级绕组L2a边，互感边，互感Ma增大，增大，Mb减小，因而次级绕组减小，因而次级绕组L2a内的内的感应电动势大于次级绕组内感应电动势大于次级绕组内L2b的感应电的感应电动势，差动变压器输出电动势不为零。动势，差动变压器输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动变压器输出电动势就越大。差动变压器输出电动势就越大。当次级两绕组反向串当次级两绕组反向串联、次级开路时差动变压联、次级开路时差动变压器输出电压为器输出电压为 111222LjrUMMjEEUbaba当衔铁移向次级绕组当衔铁移向次级绕组L2b边，差动输边，差

24、动输出电动势仍不为零，但移动方向改变，出电动势仍不为零，但移动方向改变，输出电动势反相。输出电动势反相。差动变压器输出电动势的大小和相差动变压器输出电动势的大小和相位可知道衔铁位移的大小和方向。位可知道衔铁位移的大小和方向。 生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、螺线管式差动变压器一、螺线管式差动变压器5.2 差动变压器式电感传感器2 2、螺线管式差动变压器输出特性、螺线管式差动变压器输出特性1112LjrUMMjUba输出电压的有效值为输出电压的有效值为 因此，只要求出互感因此，只要求出互感和对活动衔铁位移和对活动衔铁位移x的关系的关系式，即可得到螺线管式差式，即可得到螺线管式差动变压

25、器的基本特性表达动变压器的基本特性表达式。式。212112LrUMMUba当激磁电压的幅值和角频率、初级当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的直流电阻及电感为定值时，差动绕组的直流电阻及电感为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。次级绕组之间互感之差的函数。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、螺线管式差动变压器一、螺线管式差动变压器5.2 差动变压器式电感传感器2 2、螺线管式差动变压器输出特性、螺线管式差动变压器输出特性（1）激励电压幅值与频率的影响）激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，使线圈激励电源电压

26、幅值的波动，使线圈的磁通发生变化，直接影响输出电势。的磁通发生变化，直接影响输出电势。适当选择频率，频率波动的影响不大。适当选择频率，频率波动的影响不大。（2）温度变化的影响）温度变化的影响环境温度的变化，引起线圈及导磁环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率变化，产生温度漂移。当线圈体磁导率变化，产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重。品质因数较低时，影响更为严重。（3）零点残余电压的影响）零点残余电压的影响实际上，当使用桥式电路时在零点实际上，当使用桥式电路时在零点有从零点几有从零点几mV到数十到数十mV的残余电压。的残余电压。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系二、差动变压器

27、式传感器测量电路二、差动变压器式传感器测量电路5.2 差动变压器式电感传感器差动变压器输出交流电压，用交流电压差动变压器输出交流电压，用交流电压表测量，只能反映衔铁位移大小，不能反映表测量，只能反映衔铁位移大小，不能反映移动方向；测量值中还包含零点残余电压。移动方向；测量值中还包含零点残余电压。7R2R1abhgcfde1U0U3为了辨别移动方向和为了辨别移动方向和消除零点残余电压，实际消除零点残余电压，实际测量时，常常采用差动整测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。流电路和相敏检波电路。 D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e21U2U相敏检波电路相敏检波电路全波差动整流电

28、路全波差动整流电路生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系 第5章 电感式传感器 5.1 变磁阻式电感传感器5.2 差动变压器式电感传感器5.3 电涡流式传感器5.4 电感式传感器的应用生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、电涡流式传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理涡流式传感器的基本原理：涡流式传感器的基本原理：利用金属利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流：电涡流：若一金属板置于一只线圈的附近，当若一金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流线圈输入一交变电流 时，便产生交变磁时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应通量，金属板

29、在此交变磁场中会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称电流，这种电流在金属体内是闭合的，称之为电涡流或涡流。之为电涡流或涡流。若固定某些参数，就若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另可根据涡流的变化测量另一个参数。一个参数。5.3 电涡流式传感器 涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁、磁导率导率、厚度、厚度h、金属板与线圈的距离、金属板与线圈的距离、激励电流角频率激励电流角频率等参数有关。等参数有关。激励激励线圈线圈金属金属导体导体生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性被测导体上形成的电涡流等效成一被测导体上形成

30、的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可认为是一个短路环中的电流，短路环可认为是一匝短路线圈，电阻为匝短路线圈，电阻为R2、电感为、电感为L2。线圈与被测导体等效为两个相互耦线圈与被测导体等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，随线圈与导体间距的减小而增大。，随线圈与导体间距的减小而增大。电涡流式传感器等效电路电涡流式传感器等效电路4.3 电涡流式传感器 根据基尔霍夫第二定律，有根据基尔霍夫第二定律，有1 1、等效电路、等效电路12222121111IMjILjIRUIMjILjIR生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系二、电涡流式传感器输出

31、特性二、电涡流式传感器输出特性解方程得等效阻抗的表达式为解方程得等效阻抗的表达式为线圈受电涡流影响后线圈受电涡流影响后的等效电感的等效电感 4.3 电涡流式传感器 线圈受电涡流影响后的等效电阻线圈受电涡流影响后的等效电阻 2 2、等效阻抗与品质因数、等效阻抗与品质因数222222221RLRMRReqeqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ22222222122222222111222222221LLRMLLeq线圈等效品质因数线圈等效品质因数 222212222212011)()(LMRRLMLLQZReZImQ特性参数影响因素：特性参数影响因素： Q： L2, R2, L1, R1, ,

32、 MReq、Leq、Q是是M2的函数的函数生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系三、电涡流式传感器的基本类型三、电涡流式传感器的基本类型电涡流式传感器可分为电涡流式传感器可分为高频反射高频反射式式和和低频透射式低频透射式两类。两类。4.3 电涡流式传感器 高频信号激励传感器线圈产生高高频信号激励传感器线圈产生高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，产生电涡流，而电涡流又产生一交变产生电涡流，而电涡流又产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。磁场阻碍外磁场的变化。1 1、高频反射式、高频反射式从能量角度分析，被测导体内存从能量角度分析，被测导体内存在着电涡流损耗，使传感器

33、的在着电涡流损耗，使传感器的Q值和值和等效阻抗等效阻抗Z降低。当被测体与传感器降低。当被测体与传感器间距离改变时，传感器的间距离改变时，传感器的Q和和Z、电感、电感L均发生变化，位移量转换成电量。均发生变化，位移量转换成电量。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系三、电涡流式传感器基本类型三、电涡流式传感器基本类型4.3 电涡流式传感器 发射线圈和接收线圈置于被测金发射线圈和接收线圈置于被测金属板上下方。当低频电压加到线圈属板上下方。当低频电压加到线圈1的的两端后，产生磁场线的一部分透过金两端后，产生磁场线的一部分透过金属板，使线圈属板，使线圈2产生感应电动势。但涡产生感应电动势。但涡流消耗

34、部分磁场能量，使感应电动势流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。越大，输出电动势越小。2 2、低频透射式、低频透射式电动势的大小与金属板的厚度及电动势的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。电动势随材料厚度材料的性质有关。电动势随材料厚度的增加按负指数规律减少。若金属板的增加按负指数规律减少。若金属板材料的性质一定，即可测厚度。材料的性质一定，即可测厚度。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路1 1、调频式电路、调频式电路 电涡流传感器的测量电路主要有调电涡流传感

35、器的测量电路主要有调频式、频式、 调幅式电路和交流电桥等。调幅式电路和交流电桥等。 )()(0 xUfxLx传感器线圈接入振荡回路，当传感传感器线圈接入振荡回路，当传感器与被测导体距离改变时，在涡流影响器与被测导体距离改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。的变化。5.3 电涡流式传感器 频率变化是距离的函数，频率可由频率变化是距离的函数，频率可由数字频率计直接测量，或通过频率数字频率计直接测量，或通过频率电压电压变换，用电压表测量对应的电压。变换，用电压表测量对应的电压。 生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系三、电涡流式传感器测量电路

36、三、电涡流式传感器测量电路2 2、调幅式电路、调幅式电路 )(ZfiUoo传感器线圈传感器线圈L、电、电容器容器C和石英晶体组成和石英晶体组成石英晶体振荡电路。石英晶体振荡电路。当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率谐振频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近时，线上的输出电压也最大；当金属导体靠近时，线圈的等效电感圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，输发生变化，导致回路失谐，输出电压降低，出电压降低，L的数值随距离的变化而变化。的数值随距离的变化而变化。因此，输出电压也随而变化。因此，输

37、出电压也随而变化。4.3 电涡流式传感器 石英晶体振荡器石英晶体振荡器起恒流源的作用，给起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频谐振回路提供一个频率率f0稳定的激励电流稳定的激励电流io，LC回路的阻抗为回路的阻抗为Z时时输出电压输出电压生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系 第5章 电感式传感器 5.1 变磁阻式电感传感器5.2 差动变压器式电感传感器5.3 电涡流式传感器5.4 电感式传感器的应用生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系载有交变电流的线圈产载有交变电流的线圈产生交变磁场生交变磁场Hp，金属物平，金属物平面感应出电涡流，产生交面感应出电涡流，产生交变涡流磁场变涡流磁场Hs ，均

38、在检测，均在检测线圈（反向差动线圈）中线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。产生感应电动势。一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用5.4 电感式传感器的应用1 1、无损金属材料探伤、无损金属材料探伤金属物交流电流激励线圈检测线圈pH交变磁通sH 被测金属物上无缺陷被测金属物上无缺陷穿过检测线圈的两个线穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。势相互抵消，输出为零。生物医学传感器及应用医学院生物医学工程系一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用5.4 电感式传感器的应用1 1、无损金属材料探伤、无损金属材料探伤 被测金属物上有缺陷被测金属物上有缺陷穿过两个检测线圈的磁穿过两个检测线圈的磁通量不相等，检测线圈输通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。出感应电势不为零。金属物交流电流激励线圈检测线圈pH交变磁通sH裂纹裂纹信号干扰信号裂纹信号生物医学传感器及应