生物医学传感电感式综述课件.ppt

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1、*1第五章电感式传感器2021/10/61*2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。2021/10/62*3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

2、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、f2021/10/63*4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2021/10/64*5一、自感式传感器根据电感定义,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自感式传感器式中N—线圈匝数；Rm—磁路总磁阻2021/10/65*6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:l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁

3、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。l线圈铁芯衔铁Δl自感式传感器2021/10/66*7则有:（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。2021/10/67*

4、8L=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：2021/10/68*91、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自感式传感器当衔铁上移Δl时，传感器气隙减小Δl，即l=l0-Δl，

5、则此时输出电感为L=L0+ΔL，代入式（1）式并整理，得：2021/10/69*10变气隙长度式自感式传感器的L与l关系（2）2021/10/610*11当Δl/l0<<1时，可将上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即(3)2021/10/611*12同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δl时，有（4）对式（3）、（4）作线性处理，即忽略高次项后，可得：（5）2021/10/612*13灵敏度为：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。非线性误差

6、：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。2021/10/613*14差动变隙式电感传感器2021/10/614*15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：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2021/10/615*16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

7、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）l0LS02021/10/616*173、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。2021/10/617*18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