生物医学传感-电感式

第六章电感式传感器12/23/20231一、电容式传感器的基本工作原理、结构二、电容传感器的测量电路三、电容式传感器的应用上次课内容回顾12/23/20232电感式传感器电感式传感器定义：是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。12/23/20233传感器的主要特征是具有线圈绕组。应用于测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等方面。电感式传感器的工作基础：电磁感应其核心部分是可变自感或互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。

12/23/20234电感式传感器的分类：1、按转换原理分：自感式互感式电涡流式2、按结构形式分：变气隙式变面积式螺线管式12/23/20235一、自感式传感器根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:由磁路欧姆定律,得：则有：l线圈铁芯衔铁Δl自感式传感器12/23/20236

因为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为

:l线圈铁芯衔铁Δl自感式传感器12/23/20237则有:（1）L=f（S0）L=f（l0）l0LS0特性曲线：12/23/202381、变气隙长度式自感传感器l线圈铁芯衔铁Δl自感式传感器

当衔铁上移Δl时，（2）

12/23/20239变气隙长度式自感传感器的L与l关系12/23/202310当Δl/l0<<1时，可将上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：

由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即

(3)12/23/202311同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δl时，有

（4）

作线性处理，即忽略高次项后，可得：

电感相对增量：12/23/202312灵敏度为：

非线性误差：

为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。12/23/202313差动变气隙式电感传感器12/23/202314则当磁路总气隙改变Δl时，自感相对变化为：灵敏度为：

非线性误差：

12/23/2023152、变气隙面积式自感传感器（闭磁路式）气隙截面面积S0时自感系数当传感器截面增加ΔS时，则输出电感为线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δ因此，输出电感的变化与截面面积的变化成线性关系。12/23/202316当传感器截面减小或增加ΔS时线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δ输出电感灵敏度与初始截面面积的成反比关系。因此既可确定衔铁位移量的大小又可确定方向。输出电感灵敏度:12/23/2023173、螺管式自感式传感器衔铁线圈测杆螺管式自感式传感器

常用差动式，其输出为：12/23/202318自感传感器三种类型比较气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。截面型自感传感器灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。螺管型自感传感器的灵敏度比截面型的更低，但示值范围大，线性也较好。12/23/202319CLRcRe4、自感式传感器的等效电路线圈的铜损电阻（Rc）铁芯的涡流损耗电阻（Re）线圈的并联寄生电容（C）12/23/202320电感的相对变化：有了并联电容后，传感器的灵敏度提高。注：校准和测量中要采用相同的电缆。L为线圈的自感，Rs为折合有功电阻的总电阻，C为并联寄生电容。等效线圈阻抗为：

有效品质因数：12/23/2023215、自感式传感器的测量电路常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号的转换。交流阻抗电桥1）交流电桥空载输出电压：

12/23/202322传感器衔铁移动方向相反时：

空载输出电压为：

传感器衔铁移动偏离中间零点时：

空载输出电压为：

12/23/202323a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特性曲线2—实际特性曲线12/23/202324

2）谐振式测量电路

调幅电路12/23/202325

调频电路的基本原理其振荡频率 。12/23/2023266.自感式传感器的应用

变气隙自感式压力传感器结构图

测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量12/23/202327自感式测微仪结构图

12/23/202328二、互感式传感器差动变压器结构有变隙式、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,它可以测量1~100mm范围内的机械位移。

把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器基本种类：基本概念基本结构：主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组用差动形式连接，也叫差动变压器式传感器。12/23/2023291、螺管式差动变压器螺管式差动变压器结构12/23/202330～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1e1初级线圈激励电压L1、R1初级线圈电感和电阻M1、M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21、L22两个次级线圈的电感R21、R22两个次级线圈的电阻螺管式差动变压器等效电路12/23/202331ω—激励电压的角频率；

e1—激励电压的复数值；由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通式中：Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。初级线圈的复数电流值为：12/23/202332N2为次级线圈匝数。在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为：因此空载输出电压：其幅值：12/23/202333

在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。输出含有零点残余电压,根据输出的大小判断位移的大小,但不能辨别位移的方向.0e2e2e21e22x差动变压器输出电压特性曲线12/23/2023342、零点残余电压定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（x＝0，U0＝e2≠0)产生原因：（1）两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对称；（2）铁芯的B-H特性的非线性。12/23/2023353、减小零点残余电压措施补偿原理：改变二次线圈的阻抗，使两个二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。（3）在电路上进行补偿。补偿零点残余电压的电路：12/23/202336差动变压器的补偿电路零点残余电压可用相敏整流器或差动整流电路消除。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。12/23/2023374、差动变压器的测量电路差动整流电路：电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。整流器件：二极管及由它们组成的电桥。常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

12/23/202338典型差动整流电路半波电压输出半波电流输出全波电压输出全波电流输出12/23/202339【例】全波电压输出不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。全波电压输出电阻R0用于调整零点残余电压12/23/2023405、差动变压器的特性1）灵敏度与激励电动势的关系

差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压。

激励电动势e1越大，灵敏越高。但e1过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，e1可取零点几伏到数伏，常取3~8V。12/23/2023412）灵敏度与激励电源频率的关系

激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，通常选4~10kHz。二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加，零点残余电压也随之变大。3）灵敏度与二次线圈匝数的关系

12/23/2023426、差动变压器式传感器的应用电感测微仪及其电路框图a）轴向式测头b）测量电路框图1-引线2-线圈3-衔铁4-测力弹簧5-导杆6-密封罩7-测头1）、电感测微仪12/23/20234312/23/20234412/23/2023452、电感式压力传感器12345671接头；2膜盒；3底座；4线路板；5差动变压器；6衔铁；7罩壳可分档测量(–5×105~6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0~50)mV，精度为1.5级。12/23/2023463、电感式加速度传感器

用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.1~5)mm，振动频率为(0~150)Hz。12a31悬臂梁；2差动变压器；3衔铁12/23/202347三、电涡流式传感器1、基本原理利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。激励线圈金属导体Z=F（ρ,μ,r,ω,δ

）式中:r——线圈与被测体的尺寸因子。

12/23/2023482、基本特性电涡流传感器简化模型12/23/2023491）等效电路根据基尔霍夫定律：

12/23/202350解得：由上式可看出线圈受到金属导体影响后的等效阻抗为：2）等效阻抗与品质因数12/23/202351特性参数影响因素：Q：

L2,R2,L1,R1,ω,M

Req、Leq、Q是M2的函数线圈的等效电阻和等效电感分别为：线圈的等效品质因数Qeq为：12/23/2023523、电涡流式传感器的基本类型电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。1）高频反射式12/23/2023532）低频透射式12/23/2023544、电涡流式传感器测量电路1）调频式电路

电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路和交流电桥等。

xLC振荡器频率计F-V电压表(a)R1R2T1JC1R4R6VC2C3C4CC6C5R5R3LL1(b)T212/23/2023552）调幅式电路

12/23/2023565、电涡流式传感器应用1）无损金属材料探伤12/23/202357①被测金属物上无缺陷穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。12/23/202358②被测金属物上有缺陷穿过两个检测线圈的磁通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。幅值甄别电路信号处理后幅值甄别电路信号12/23/20235912/23/202360量程：0~30mm