生物醫(yī)學傳感器：電感式傳感器

第三章物理傳感器電感式傳感器自感式傳感器一、工作原理自感式電感傳感器是利用線圈自感量的變化來實現測量的，它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。1-線圈2-鐵芯3-銜鐵自感式傳感器原理圖123線圈電感量Ψ為線圈總磁通(Wb);I為通過線圈的電流(A);N為線圈的匝數；Rm為磁路總磁阻(H);li

為各段導磁體的長度；μi為各段導磁體的磁導率；Si

為各段導磁體的截面積；

δ為空氣隙的厚度；μ

0

為真空磁導率;S為空氣隙截面積；1-線圈2-鐵芯3-銜鐵a)變氣隙型b)變面積型c)螺管型自感式傳感器的結構123二、變氣隙式自感傳感器通常氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻

L與δ之間是非線性關系

1-線圈2-鐵芯3-銜鐵123當銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當銜鐵上移Δδ時，則上式用泰勒級數展開忽略高次項后可得靈敏度為變間隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測量微小位移場合。為了減小非線形誤差，實際中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。差動變隙式電感傳感器

差動變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍，線性度也得到明顯改善。三、變面積式自感傳感器靈敏度變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應的條件下，輸入與輸出呈線性關系。但與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。四、螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈Ⅰ；2-螺線管線圈Ⅱ；3-骨架；4-活動鐵芯

L10，L20——分別為線圈Ⅰ、Ⅱ的初始電感值；當鐵芯移動（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小

可以求得線圈的靈敏度為互感式傳感器（差動變壓器） 差動變壓器是把被測的非電量變化轉換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。

變隙式變面積式

螺線管式(a)、(b)變隙式差動變壓器；(c)、(d)螺線管式差動變壓器；(e)、(f)變面積式差動變壓器１-活動銜鐵；２-導磁外殼；３-骨架；４-匝數為W1初級繞組；５-匝數為W2a的次級繞組；６-匝數為W2b的次級繞組一、

工作原理螺線管式差動變壓器當次級開路時,初級線圈激勵電流根據電磁感應定律，次級繞組中感應電勢的表達式為次級兩繞組反相串聯，且考慮到次級開路，則輸出電壓有效值差動變壓器輸出電壓特性曲線零點殘余電壓，是指銜鐵位于中間位置時的差動輸出電壓。零點殘余電壓的存在，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測量誤差增大。二、零點殘余電壓及消除方法

產生零點殘余電壓的原因:

（1）由于兩個二次測量線圈的等效參數不對稱，使其輸出的基波感應電動勢的幅值和相位不同。

（2）由于鐵芯的B-H特性曲線的非線性，產生高次諧波不同，不能互相抵消。減小零點殘余電壓措施：

（1）在設計和工藝上，力求做到磁路對稱，線圈對稱。鐵芯材料要均勻，兩線圈繞制要均勻一致。

（2）在電路上進行補償。補償零點殘余電壓的電路三、測量電路為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。由差動變壓器的等效電路可知，經反相串聯后差動變壓器的輸出是交流電壓，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映其移動方向。相敏檢波電路波形

(a）被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激勵電壓波形；(c)差動變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形相敏檢波電路原理圖1.相敏檢波電路由圖（a）、(c)、(d)可知，當位移Δx>0時，u2與us同頻同相;

當位移Δx<0時，u2與us同頻反相。當Δx>0時，u2與us同頻同相，當u2與us均為正半周時，二極管VD1、VD4截止，VD2、VD3導通，得到圖（b）的等效電路。根據變壓器工作原理，考慮到M、O分別為變壓器T1、T2的中心抽頭，則有n1、n2分別為變壓器T1、T2的變壓比。采用電路分析的基本方法，可求得同理，當u2與us均為負半周時，二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導通，得到圖（c）的等效電路。說明只要位移Δx>0，不論u2與us是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的電壓u0始終為正。當Δx<0時，u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法，可得到負載電阻RL兩端輸出電壓u0的表達式為結論：相敏檢波電路輸出電壓u0的變化規(guī)律不僅反映了位移變化的大小，而且還反映了位移變化的方向，同時還可以消除零點殘余電壓的影響。2.差動整流電路

差動整流電路簡單，不需參考電壓，對感應和分布電容影響不敏感，經差動整流后變成直流輸出便于遠距離輸送。全波整流電路和波形圖(a)～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabtttUSCecdeabtttecdUSC銜鐵在零位(b)eabtecdtUSCt銜鐵在零位以上差動整流電路根據半導體二級管單向導通原理進行解調的。如果傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“＋”，e點為“–”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點為“–”，e點為“＋”，則電流路徑是ehdcgf。可見，無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻