【文档说明】生物医学传感电感式综述课件.ppt，共(75)页，4.666 MB，由小橙橙上传

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23:31:19123:31:191第五章电感式传感器23:31:19223:31:192上次课内容回顾◼电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种结构型传感器。◼工作原理：当3个参数中的任意一个发生变化，都能够导致电容值发生变化。通过测量电路即可得到被测

量，比如力、加速度、液位、位移、厚度、不同种类物质的鉴别、转角等。◼电容式传感器按原理分为变面积、变极距和变介质三种。◼测量电路：调频电路、运算放大器式电路、脉冲宽度调制电路、电桥等。23:31:19323:31:193电感式传感器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。电感式传感器的主要特征是具有线圈绕组。◼电感式传感器的工作基础：电磁感应应用于测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等方面。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U

、I、f23:31:19423:31:194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23:31:19523:31:195一、自感式传感器MRINΦ=mINΦR=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NΦLI=2mNLR=式中N—线圈匝数；Rm—磁路总磁阻23:31:19623:31:196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:0121122002mlllRSSS=++l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长

；l0：空气隙总长；S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；S0：隙磁通截面积；μ1：铁芯磁导率；μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m。22012112200mNlllLNSSSR==++l线圈铁芯衔铁Δl自感式传感器23:31:1972

3:31:197则有:220002mNSNLRl==（1）由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，因此上式表明,当线圈匝数N为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变

l0或S0均可导致电感变化,因此自感式传感器又可分为变气隙长度式传感器(变l0)和变气隙面积式传感器(变S0)。使用最广泛是变气隙长度式电感传感器。01001102002222llSSllSS

0002mlRuS23:31:19823:31:198L=f（S0）L=f（l0）l0LS0L=f(l0)为非线性关系。当l0＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当l0＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值

，在l0较小时其特性曲线如图中虚线所示。若上下移动衔铁使面积S0改变，从而改变L值时,则L＝f(S0)的特性曲线为一直线。特性曲线：220002mNSNLRl==23:31:19923:31:1991、变气隙长度式自感式传感器（

闭磁路式）如图所示为变气隙长度式的结构示意图。设初始气隙长度为l0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δl，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：l线圈铁芯衔铁Δl自感式传感器020002lNSL

=当衔铁上移Δl时，传感器气隙减小Δl，即l=l0-Δl，则此时输出电感为L=L0+ΔL，代入式（1）式并整理，得：23:31:191023:31:1910变气隙长度式自感式传感器的L与l关系20000002()1NSLLLLllll=+==−−（2）23:31:191123

:31:1911当Δl/l0<<1时，可将上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：23000001lllLLLLlll=+=++++由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即2000

02000011lllLLlllLlllLlll=+++=+++(3)23:31:191223:31:1912同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δl时，有2300000230000011llllLLllllLllll

Lllll=−+−+=−+−+（4）对式（3）、（4）作线性处理，即忽略高次项后，可得：00LlLl（5）23:31:191323:31:1913灵

敏度为：0001llLLK==由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。0100%ll=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。23:31:191423:31:1914差动变隙

式电感传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁23:31:191523:31:1915差动变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一

个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两个差动线圈分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变Δl时，自感相对变化为：120002LLLlLLl+==0002LLKll==2010

0%ll=①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍②差动式自感传感器非线性失真变小23:31:191623:31:1916变截面式传感器线圈铁芯衔铁衔铁移动方向l02、变气隙面积式自感式传感器（闭磁路式

）变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的位移量。L=f（S0）L=f（l0）l0LS023:31:191723:31:19173、螺管式自感式传感器（开磁路式）衔铁线圈测杆螺管式自感式

传感器其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。当用恒流源激励时，则输出电压与铁芯的位移量有关。23:31:191823:31:1918螺管式自感传感器的特

点：①结构简单，制造装配容易；②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。23:31

:191923:31:1919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。23:31:192023:31:1920假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻（Re）和线圈的并联寄生电容（C）。因此，自感传感器的等效电路如图。CL

RcRe4、自感线圈的等效电路23:31:192123:31:1921()()2211SPPPRLZjRjLLCLC=+=+−−()21PPPLQLCQR==−电感的相对变化211PPdLdLLLCL=−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：品质因数Q=ωL/R23:31:192223:31:19225、自感式传感器的测量电路自感式传感器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）交流电桥把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。23:31:192323:31:1923空载输出电压：衔铁偏离中间零点时初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0121121

222iiiouuuZZuZZZZZ−=−=++ZZZ+=1ZZZ−=22iouZuZ=空载输出电压为：23:31:192423:31:1924传感器衔铁移动方向相反时：空载输出电压为：2iouZuZ=−ZZZ−=1ZZZ+=2注：只能确定衔铁位移的大小，不能判断

位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。23:31:192523:31:1925a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特性曲线2—实际特性曲线23:31:192623:31:1926在调幅电路中，传感器电感L与电容C

、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化，图（b）为输出电压与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。UoUU

2）谐振式测量电路oUOL0LoUTUCL(a)(b)调幅电路和调频电路。23:31:192723:31:1927调频电路的基本原理，是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化。通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，

根据f的大小即可测出被测量的值。图（b）表示f与L的关系曲线，它具有严重的非线性关系。)2/(1LCf=GCLffoL(a)(b)23:31:192823:31:19286.自感式传感器的应用变气隙自感式压力传感器结构图线圈铁芯衔铁膜盒PU～A可用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种

物理量23:31:192923:31:1929变气隙自感式测微仪结构图23:31:193023:31:1931电感式传感器测量液位23:31:193223:31:1932二、互感式传感器（差动变压器式传感器）根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。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结构形式：23:31:193323:31:19331、螺管式差动变压器当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间

的互感量变化时，感应电动势也相应变化。螺管式差动变压器结构23:31:193423:31:1934差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。～～～e2R21R22e21e22

e1R1M1M2L21L22L1I1e1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23:31:193523:31:

1935ω—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：11211mNIR=111

1eIRjL=+11222mNIR=23:31:193623:31:193611212121mRNNINM==21212222mRNNINM==N2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：21112221ejMIejMI=−=−()1221221111eeeejMMRjL=−=−−+其幅值()()12122211MMeeRL−=+23:31:193723:31:1937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图中红线为理论特性曲线，黑线为实际特性曲线23:31:193823:31:19382、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，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。（2）铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。2

3:31:193923:31:19393、减小零点残余电压措施补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，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：23:31:194023:31:1940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。23:31:194123:31:19414、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。23:31:194223:31:1942002682426824UUUEEUUUEEcdabcdab衔铁下移衔铁上移（1）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。（不论正负半周）全波电压输出电阻R0用于调整零点残余电压23:31:194323:31:1943（2）半波电压输出负半周二极管截止。正半周二极管均导通移衔铁下负半周二极管截止。正

半周二极管均导通衔铁上移000222=UEEUUEEcdabcdab半波电压输出电阻R0用于调整零点残余电压23:31:194423:31:1944（3）全波电流输出246822468200abcdabcdEEUUIEEUUI衔铁上移衔铁

下移全波电流输出电阻R0用于调整零点残余电压。23:31:194523:31:19455、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，以mV/mm/V表示。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。()1221221111eeeejMMRjL=−=−−+23:31:194623:31:19462）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23:31:194723:31:19476、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）、电感测微仪可用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量23:31:1948测微仪圆柱滚子电感式滚柱直径分选装置23:31:194923:31:194923:31:195023:31:195023:31:195123:31:1

9512、电感式压力传感器微压力变送器结构示意图1—接头2—膜盒3—底座4—线路板5—差动变压器6—衔铁7—罩壳8—插头9—通孔23:31:195223:31:19523、电感式加速度传感器差动变压器式加

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。23:31:1953三、电涡流式传感器干净、高效的电磁炉23:31:1954电磁炉内部

的励磁线圈23:31:1955高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。23:31:1956一、工作原理❖当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称

之为电涡流。❖电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。23:31:1957电涡流的形成◼线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场H

1◼位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流◼涡流也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反◼H2的作用引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化。ρ:电导率μ:导磁率r：线圈半径等几何尺寸I:线圈电流f:频率X

:距离23:31:19581I1H2I2H2I1I12RL23:31:1959品质因素等效电阻等效电感无涡流影响时的Q值短路环阻抗其中23:31:1960高频反射式低频透射式电涡流式传感器23:31:1961二、结构

类型1、变间隙型电涡流传感器Kr：相对灵敏度D：被测体直径d：线圈直径8.1dDmmH2.023:31:1962电涡流探头外形23:31:19631L1UM2L2U发射线圈接收线圈M下降有M：越小M越厚，无M：

最大三、测量电路Z：电桥电路L：谐振电路Q：Q值测量电路1L1UM2L2U发射线圈接收线圈H1L1UM2L2U发射线圈接收线圈HM2、低频透射式电涡流传感器——测量金属材料厚度23:31:1964石英振荡器产生稳频、稳

幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。调

幅式（AM）电路23:31:1965调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示

或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。23:31:1966四.应用--具有结构简单、抗干扰能力强、非接触测量等特点1.大直径电涡流探雷器23:31:1967若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单

位为r/min）的计算公式为转速测量23:31:1968电动机转速测量例：设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。23:31:19693.计数间隙越大，电涡流越小测量封口机工作间隙23:31:19704.测厚度由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越

小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。23:31:19715.探伤——检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、磁导率变化，综合引起传感器参数变化。23:31:19

72手持式裂纹测量仪油管探伤23:31:19736.测振动测量悬臂梁的振幅及频率汽轮机叶片测试23:31:1974本章小结•自感式传感器工作原理、测量电路；•差动变压器式(互感式)传感器工作原理、等效电路及测量电路；•零点残余电压的影响和补偿；•电涡流传感器的工作原理及应用.23:31:197

5作业◼调研电感式传感器的应用实例（最好与生物医学工程相关）要求：每人PPT讲解5-8分钟成员：宋凌宇、程筱、冯沛严、许鹏飞、马良