生物醫(yī)學(xué)傳感-電感式

第六章電感式傳感器2/4/20231一、電容式傳感器的基本工作原理、結(jié)構(gòu)二、電容傳感器的測量電路三、電容式傳感器的應(yīng)用上次課內(nèi)容回顧2/4/20232電感式傳感器電感式傳感器定義：是一種建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置。2/4/20233傳感器的主要特征是具有線圈繞組。應(yīng)用于測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等方面。電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)其核心部分是可變自感或互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。

2/4/20234電感式傳感器的分類：1、按轉(zhuǎn)換原理分：自感式互感式電渦流式2、按結(jié)構(gòu)形式分：變氣隙式變面積式螺線管式2/4/20235一、自感式傳感器根據(jù)電感定義,線圈中電感量可由下式確定:由磁路歐姆定律,得：則有：l線圈鐵芯銜鐵Δl自感式傳感器2/4/20236

因為氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為

:l線圈鐵芯銜鐵Δl自感式傳感器2/4/20237則有:（1）L=f（S0）L=f（l0）l0LS0特性曲線：2/4/202381、變氣隙長度式自感傳感器l線圈鐵芯銜鐵Δl自感式傳感器

當(dāng)銜鐵上移Δl時，（2）

2/4/20239變氣隙長度式自感傳感器的L與l關(guān)系2/4/202310當(dāng)Δl/l0<<1時，可將上式用泰勒級數(shù)展開成如下的級數(shù)形式：

由上式可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的表達(dá)式，即

(3)2/4/202311同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δl時，有

（4）

作線性處理，即忽略高次項后，可得：

電感相對增量：2/4/202312靈敏度為：

非線性誤差：

為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。2/4/202313差動變氣隙式電感傳感器2/4/202314則當(dāng)磁路總氣隙改變Δl時，自感相對變化為：靈敏度為：

非線性誤差：

2/4/2023152、變氣隙面積式自感傳感器（閉磁路式）氣隙截面面積S0時自感系數(shù)當(dāng)傳感器截面增加ΔS時，則輸出電感為線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動方向δ因此，輸出電感的變化與截面面積的變化成線性關(guān)系。2/4/202316當(dāng)傳感器截面減小或增加ΔS時線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動方向δ輸出電感靈敏度與初始截面面積的成反比關(guān)系。因此既可確定銜鐵位移量的大小又可確定方向。輸出電感靈敏度:2/4/2023173、螺管式自感式傳感器銜鐵線圈測桿螺管式自感式傳感器

常用差動式，其輸出為：2/4/202318自感傳感器三種類型比較氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點是非線性嚴(yán)重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較??；它的自由行程小，因為銜鐵在運動方向上受鐵心限制，制造裝配困難。截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點是具有較好的線性，因而測量范圍可取大些。螺管型自感傳感器的靈敏度比截面型的更低，但示值范圍大，線性也較好。2/4/202319CLRcRe4、自感式傳感器的等效電路線圈的銅損電阻（Rc）鐵芯的渦流損耗電阻（Re）線圈的并聯(lián)寄生電容（C）2/4/202320電感的相對變化：有了并聯(lián)電容后，傳感器的靈敏度提高。注：校準(zhǔn)和測量中要采用相同的電纜。L為線圈的自感，Rs為折合有功電阻的總電阻，C為并聯(lián)寄生電容。等效線圈阻抗為：

有效品質(zhì)因數(shù)：2/4/2023215、自感式傳感器的測量電路常用交流阻抗電橋和諧振電路實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。交流阻抗電橋1）交流電橋空載輸出電壓：

2/4/202322傳感器銜鐵移動方向相反時：

空載輸出電壓為：

傳感器銜鐵移動偏離中間零點時：

空載輸出電壓為：

2/4/202323a）非相敏檢波b）相敏檢波1—理想特性曲線2—實際特性曲線2/4/202324

2）諧振式測量電路

調(diào)幅電路2/4/202325

調(diào)頻電路的基本原理其振蕩頻率 。2/4/2023266.自感式傳感器的應(yīng)用

變氣隙自感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量2/4/202327自感式測微儀結(jié)構(gòu)圖

2/4/202328二、互感式傳感器差動變壓器結(jié)構(gòu)有變隙式、變面積式和螺線管式等,應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器,它可以測量1~100mm范圍內(nèi)的機械位移。

把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器基本種類：基本概念基本結(jié)構(gòu)：主要包括有銜鐵、初級繞組、次級繞組和線圈框架等。次級繞組用差動形式連接，也叫差動變壓器式傳感器。2/4/2023291、螺管式差動變壓器螺管式差動變壓器結(jié)構(gòu)2/4/202330～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1e1初級線圈激勵電壓L1、R1初級線圈電感和電阻M1、M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感L21、L22兩個次級線圈的電感R21、R22兩個次級線圈的電阻螺管式差動變壓器等效電路2/4/202331ω—激勵電壓的角頻率；

e1—激勵電壓的復(fù)數(shù)值；由于Il的存在，在次級線圈中產(chǎn)生磁通式中：Rm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數(shù)。初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為：2/4/202332N2為次級線圈匝數(shù)。在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為：因此空載輸出電壓：其幅值：2/4/202333

在線性范圍內(nèi)，輸出電動勢隨銜鐵正、負(fù)位移而線性增大。輸出含有零點殘余電壓,根據(jù)輸出的大小判斷位移的大小,但不能辨別位移的方向.0e2e2e21e22x差動變壓器輸出電壓特性曲線2/4/2023342、零點殘余電壓定義：把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓。（x＝0，U0＝e2≠0)產(chǎn)生原因：（1）兩個二次測量線圈的等效參數(shù)（電感、電阻）不對稱；（2）鐵芯的B-H特性的非線性。2/4/2023353、減小零點殘余電壓措施補償原理：改變二次線圈的阻抗，使兩個二次輸出電壓的大小和相位改變，使零點電壓最小。（1）在設(shè)計和工藝上，力求做到磁路對稱，線圈對稱，線圈繞制要均勻。鐵芯材料要均勻，要經(jīng)過熱處理去除機械應(yīng)力和改善磁性。（2）采用拆圈的實驗方法來減小零點殘余電壓。（3）在電路上進(jìn)行補償。補償零點殘余電壓的電路：2/4/202336差動變壓器的補償電路零點殘余電壓可用相敏整流器或差動整流電路消除。串聯(lián)電阻補償基波分量，并聯(lián)電容補償高次諧波。2/4/2023374、差動變壓器的測量電路差動整流電路：電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大小（電壓的幅值），還可以反映位移的方向。整流器件：二極管及由它們組成的電橋。常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。

2/4/202338典型差動整流電路半波電壓輸出半波電流輸出全波電壓輸出全波電流輸出2/4/202339【例】全波電壓輸出不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何。全波電壓輸出電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓2/4/2023405、差動變壓器的特性1）靈敏度與激勵電動勢的關(guān)系

差動變壓器在單位電壓激勵下，鐵芯移動一個單位距離時的輸出電壓。

激勵電動勢e1越大，靈敏越高。但e1過大時會使差動變壓器線圈發(fā)熱而引起輸出信號漂移，e1可取零點幾伏到數(shù)伏，常取3~8V。2/4/2023412）靈敏度與激勵電源頻率的關(guān)系

激勵電源頻率過高或過低都會使靈敏度降低，通常選4~10kHz。二次線圈匝數(shù)越多，靈敏度越高，兩者成線性關(guān)系。但是匝數(shù)增加，零點殘余電壓也隨之變大。3）靈敏度與二次線圈匝數(shù)的關(guān)系

2/4/2023426、差動變壓器式傳感器的應(yīng)用電感測微儀及其電路框圖a）軸向式測頭b）測量電路框圖1-引線2-線圈3-銜鐵4-測力彈簧5-導(dǎo)桿6-密封罩7-測頭1）、電感測微儀2/4/2023432/4/2023442/4/2023452、電感式壓力傳感器12345671接頭；2膜盒；3底座；4線路板；5差動變壓器；6銜鐵；7罩殼可分檔測量(–5×105~6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0~50)mV，精度為1.5級。2/4/2023463、電感式加速度傳感器

用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果。可測量的振幅為(0.1~5)mm，振動頻率為(0~150)Hz。12a31懸臂梁；2差動變壓器；3銜鐵2/4/202347三、電渦流式傳感器1、基本原理利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的電渦流效應(yīng)。激勵線圈金屬導(dǎo)體Z=F（ρ,μ,r,ω,δ

）式中:r——線圈與被測體的尺寸因子。2/4/2023482、基本特性電渦流傳感器簡化模型2/4/2023491）等效電路根據(jù)基爾霍夫定律：

2/4/202350解得：由上式可看出線圈受到金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為：2）等效阻抗與品質(zhì)因數(shù)2/4/202351特性參數(shù)影響因素：Q：

L2,R2,L1,R1,ω,M

Req、Leq、Q是M2的函數(shù)線圈的等效電阻和等效電感分別為：線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Qeq為：2/4/2023523、電渦流式傳感器的基本類型電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。1）高頻反射式2/4/2023532）低頻透射式2/4/2023544、電渦流式傳感器測量電路1）調(diào)頻式電路

電渦流傳感器的測量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路和交流電橋等。

xLC振蕩器頻率計F-V電壓表(a)R1R2T1JC1R4R6VC2C3C4CC6C5R5R3LL1(b)T22/4/2023552）調(diào)幅式電路

2/4/2023565、電渦流式傳感器應(yīng)用1）無損金屬材料探傷2/4/202357①被測金屬物上無缺陷穿過檢測線圈的兩個線圈的磁通量相等，感應(yīng)電勢相互抵消，輸出為零。2/4/202358②被測金屬物上有缺陷穿過兩個檢測線圈的磁通量不相等，檢測線圈輸出感應(yīng)電勢不為零。幅值甄別電路信號處理后幅值甄別電路信號2/4/2023592/4/202360量程：0