生物医学传感器电感ppt课件.ppt

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1、第五章电感式传感器生物医学工程系医用传感器原理及应用电感式传感器应用电磁感应原理，将非电量参数如：位移、压力、应变、流量等转换成电感量的变化，然后通过相应的测量电路转换成电压或电流形式输出，实现非电量检测的一种装置。主要包括线圈、铁芯和活动衔铁三个部分。特点结构简单、可靠分辨率高机械位移0.1um，角位移0.1角秒输出信号强，电压灵敏度可达数百mv/mm重复性好，线性度优良能实现远距离传输、记录、显示和控制不宜高频动态测量电感式传感器的主要分类自感式互感式（差动变压器式）电涡流式F36V交流毫安表交流电

2、压源交流接触器线圈自感式电感传感器☞气隙变小，电感变大，电流变小自感传感器的基本工作原理演示自感式电感传感器图5–1电感式传感器线圈中电感量可由下式确定：（5-1）根据磁路欧姆定律：（5-2）式中,Rm为磁路总磁阻。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（5-3）通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即（5-4）则式（5-3）可写为（5-5）联立式（5-1）、式（5-2）及式（5-5），可得（5-6）上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或S0

3、均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积S0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。简单自感式气隙型电感传感器螺线管型电感传感器a变气隙厚度型b变气隙面积型变气隙厚度型：L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图5-2所示。图5-2变隙电感传感器的L-δ特性当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：（5-7）当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为（5-8）当Δδ/δ0<<1时（泰勒级数）：（5-9）可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0

4、的表达式，即(5-10)(5-11)同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有（5-12）（5-13）对式（5-11）、（5-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得（5-14）灵敏度为：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。（5-15）差动自感式在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。两只完全对称的简单自感传感器合用一个活动衔铁就构成了差动自感传感器。图5-3差动变隙

5、式电感传感器测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。1.电感式传感器的等效电路电感式传感器的线圈并非是纯电感，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C。图5-4电感式传感器的等效电路等效线圈阻抗为(5-16)将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得(5-17)当Q>>ω2LC且ω2LC<<1时，上式可近似为2.交流电桥式测量电路把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥

6、臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设Z1=Z+ΔZ1,Z2=Z－ΔZ2，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。对于高Q值的差动式电感传感器，有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，则电桥输出电压为(5-20)图5-5交流电桥测量电路衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（5-10）及式（5-12）表示，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具体表达式为（5-21）对上式进行线性处理,即忽略高次项得（5-22

7、）灵敏度K0为（5-23）比较单线圈式和差动式：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。将代入式（5-20）得电桥输出电压与Δδ成正比关系。图5-6变压器式交流电桥3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图5-6所示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压(5-24)当传感器的衔铁处于中间位置，

8、即Z1=Z2=Z，此时有　　　　　　　　　　　　，电桥平衡。当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，(5-25)当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时(5-26)可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。4.谐振式测量电路包括谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路：传感器电感L与电容C、变压器原边