生物医学传感器及应用-第五章-电感式传感器.

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、f第5章电感式传感器电感式传感器的定义一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。电感式传感器的感测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等。电感式传感器的种类根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、电涡流式三种；《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电感式传感器的优点①结构简单、可靠②分辨率高机械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。④能实现远距离传输、记录、显示和控制电感式传感器的不足存在交流零位信号，不宜高频动态测量。《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：利用线圈自感量的变化来实现测量的。传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部分组成。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：MRININΦLδ线圈铁芯衔铁Δδ工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，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。因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。总磁阻线圈匝数《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§5.1自感式电感传感器MRINΦINΦLRRF2202ANRNLAR02222111AlAlRF磁导率H/mRRRFM气隙截面积A保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙厚度式自感传感器。保持气隙间距δ不变，A随被测量（如位移）变化，构成变气隙面积式自感传感器。ARRm02δ线圈铁芯衔铁Δδl1l2《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的基本类型：二、自感式传感器基本类型§5.1自感式电感传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ（1）变气隙厚度式（2）变气隙面积式变截面式和螺管式变气隙厚度式螺管式线圈铁芯衔铁衔铁移动方向变气隙截面式《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§5.1自感式电感传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ当Δδ/δ01时，用泰勒级数展开成级数形式0001LLLL30200001LLLL200001LL《生物医学传感器及应用》医学院生物医学工程系三、变间隙式自感传感器输出特性§5.1自感式电感传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，同理有30200001LL200001LL00LL因此既可确定衔铁位移量的大小又可确定方向。忽略高次项线性处理《生物医学传感器及应用》医学院生物医学工程系三、变间隙式自感传感器输出特性§5.1自感式式电感传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ电感灵敏度0001LLK00LL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。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，因此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。动态测量范围：0.001~1mm。《生物医学传感器及应用》医学院生物医学工程系四、变截面式自感传感器输出特性§5.1自感式电感传感器气隙截面面积A0时自感系数20020ANL当传感器截面增加ΔA时，则输出电感为2)(0020AANLLL线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δ202ANL00AALL因此，输出电感的变化与截面面积的变化成线性关系。《生物医学传感器及应用》医学院生物医学工程系四、变截面式自感传感器输出特性§5.1自感式电感传感器当传感器截面减小ΔA时，同理有线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δ0001/AALLK00AALL输出电感灵敏度与初始截面面积的成反比关系。00AALL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《生物医学传感器及应用》医学院生物医学工程系五、差动式自感传感器§5.1自感式电感传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。差动结构的特点：（1）改善线性、提高灵敏度外；（2）补偿温度变化、电源频率变化等的影响，从而减少了外界影响造成的误差。差动变间隙式传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆123444321314差动螺管式差动变截面式三种基本类型：《生物医学传感器及应用》医学院生物医学工程系六、自感式传感器的等效电路§5.1自感式电感传感器等效线圈阻抗为电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L,绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。电感式传感器的等效电路CjLjRCjLjRZ)(《生物医学传感器及应用》医学院生物医学工程系传感器的两线圈作为电桥的两相邻桥臂Z1和Z2，另两个相邻桥臂为纯电阻R。设Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，ΔZ1、ΔZ2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量，则Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ七、自感式传感器的测量电路§5.1自感式电感传感器高品质因数Q=ωL/R的电感式传感器，线圈的电感远远大于线圈的有功电阻，即ωLR，则有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)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谐振式等。1、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电桥输出电压为1、交流电桥式测量电路)()(21LLURZZZRUo差动式传感器的电感灵敏度K0为0002/LLK①变间隙差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的线性度明显改善。002LUo输出电压与Δδ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1、2为两线圈各自电感特性；曲线3为两线圈差接时的电感特性；曲线4为差接后电桥输出电压与衔铁位移的特性曲线。七、自感式传感器的测量电路§5.1自感式电感传感器1、交流电桥式测量电路δU0L/mHδ/mmL04321ⅠⅡ1234-ΔδΔδ电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量Δδ有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动Δδ为负，则U0为负；衔铁向下移动Δδ为正，则U0为正，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§5.1自感式电感传感器2、变压器式交流电桥测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时电桥输出电压为零，电桥平衡。Z1Z2IABCD~0U2U2UoU2212112212UZZZZUUZZZUUUBAo当负载阻抗为无穷大时，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当传感器衔铁上移时，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则桥路输出电压为七、自感式传感器的测量电路§5.1自感式电感传感器2、变压器式交流电桥当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。要判断衔铁方向需要经过相敏检波电路的处理。Z1Z2IABCD~0U2U2UoU2222112ULLUZZUZZZZUo2222112ULLUZZUZZZZUo当传感器衔铁下移时，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，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§5.1自感式电感传感器2、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①衔铁中间位置七、自感式传感器的测量电路§5.1自感式电感传感器3、相敏检波测量电路1L2LEFJKGH21LLHGUU②衔铁上移L1增大，自感电动势增加；L2减小，自感电动势减少。正半周→E点电势高，F点低通路E→J→G→F，UG降低通路E→K→H→F，UH升高HGUU负半周→F点电势高，E点低通路E→J→H→F，UG降低通路E→K→G→F，UH升高HGUU结论：无论是正半周还是负半周，衔铁上移时UGUH。+3+2+10+4+1+3+51L2LEFJKGH-5-3-2-30-4-1-1《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§5.1自感式电感传感器3、相敏检波测量电路1L2LEFJKGH③衔铁下移L1增小，自感电动势减少；L2减大，自感电动势增加。结论：无论正半周还是负半周，衔铁下移时UGUH。衔铁下移时，UGUH;衔铁上移时，UGUH。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。相敏检波电路输出电压的大小和正负判断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两类谐振式测量电路：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§5.1自感式电感传感器4、谐振式测量电路（1）谐振式调幅电路传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边输出电压，电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。输出电压与电感的关系曲线中L0为谐振点的电感值，电路灵敏度很高，但线性差，适用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§5.1自感式电感传感器4、谐振式测量电路（2）谐振式调频电路调频电路的基本原理：传感器电感L的变化引起输出电压频率的变化。通常传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率为当L变化时，振荡频率随之变化，根据频率的大小即可测出被测量的值。振荡频率与电感变化之间具有严重的非线性关系。)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§5.1自感式电感传感器5、零点残余电压自感式传感器测量电桥电路，当两线圈的阻抗相等，即Z1=Z2时，电桥平衡，输出电压为零。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时，电桥有一个不平衡输出电压ΔUo。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零点残余电压，记作ΔUo。《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§5.1自感式电感传感器5、零点残余电压（1）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谐波分量组成。①两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。②传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而形成零点残余电压的高