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,第五章 电感式传感器,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；,第5章 电感式传感器,电感式传感器的优点 结构简单、可靠 分辨率高 机械位移0.1m，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 。 重复性好，线性度优良 在几十m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。 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。,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,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：,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，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,一、自感式传感器工作原理,5.1 自感式电感传感器,气隙截面积A保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙厚度式自感传感器。,保持气隙间距不变，A随被测量（如位移）变化，构成变气隙面积式自感传感器。,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,（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,变气隙截面式,三、自感式电感传感器输出特性,5.1 自感式电感传感器,当/0R，则有Z1+Z2j(L1+L2),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,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,差动式传感器的电感灵敏度K0为, 变间隙差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的线性度明显改善。,输出电压与成正比。,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,电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动为负，则U0为负；衔铁向下移动为正，则U0为正，相位差180。,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。,当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为,当传感器衔铁上移时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，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。,当传感器衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，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, 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, 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,负半周F点电势高，E点低,结论：无论是正半周还是负半周，衔铁上移时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。,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。,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。,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Uo。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Uo。,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。 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。 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次谐波分量。,（2）零点残余电压的影响 传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。,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, 在电路上进行补偿。这是一种既简单又行之有效的方法。,（2）零点残余电压的影响 零点残余电压太大，使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,（3）减小零点残余电压的措施 在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线圈绕制要均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。,第5章 电感式传感器,5.1 变磁阻式电感传感器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,差动变压器式互感传感器,5.2 差动变压器式电感传感器,基本概念,互感式传感器：被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。,基本种类,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。,基本结构：主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组用差动形式连接，也差动变压器式传感器。 工作原理类似于变压器。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。,一、螺线管式差动变压器二、变隙式差动变压器三、差动变压器式传感器测量电路,5.2 差动变压器式电感传感器,一、螺线管式差动变压器,5.2 差动变压器式电感传感器,1、螺线管式差动变压器结构与原理,（1）螺线管式差动变压器结构由初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。两个次级线圈反向串联，构成差动式。根据初、次级线圈排列不同，螺管式差动变压器有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,一、螺线管式差动变压器,5.2 差动变压器式电感传感器,1、螺线管式差动变压器结构与原理,（2）螺线管式差动变压器等效电路在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下等效电路。,根据电磁感应原理有,变压器两次级绕组反向串联，则差动变压器输出电压为零。,设差动变压器中初级线圈的匝数为W1，两个次级线圈的匝数分别为W1a和W1b。当初级绕组加以激励电压时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组中便会产生感应电势。,若工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数相等。,一、螺线管式差动变压器,5.2 差动变压器式电感传感器,2、螺线管式差动变压器输出特性,当衔铁移向次级绕组L2a边，互感Ma增大，Mb减小，因而次级绕组L2a内的感应电动势大于次级绕组内L2b的感应电动势，差动变压器输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动变压器输出电动势就越大。,当次级两绕组反向串联、次级开路时差动变压器输出电压为,当衔铁移向次级绕组L2b边，差动输出电动势仍不为零，但移动方向改变，输出电动势反相。,差动变压器输出电动势的大小和相位可知道衔铁位移的大小和方向。,一、螺线管式差动变压器,5.2 差动变压器式电感传感器,2、螺线管式差动变压器输出特性,输出电压的有效值为,因此，只要求出互感和对活动衔铁位移x的关系式，即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。,当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的直流电阻及电感为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。,一、螺线管式差动变压器,5.2 差动变压器式电感传感器,2、螺线管式差动变压器输出特性,（1）激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，使线圈的磁通发生变化，直接影响输出电势。适当选择频率，频率波动的影响不大。,（2）温度变化的影响环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率变化，产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重。,（3）零点残余电压的影响实际上，当使用桥式电路时在零点有从零点几mV到数十mV的残余电压。,二、差动变压器式传感器测量电路,5.2 差动变压器式电感传感器,差动变压器输出交流电压，用交流电压表测量，只能反映衔铁位移大小，不能反映移动方向；测量值中还包含零点残余电压。,为了辨别移动方向和消除零点残余电压，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,相敏检波电路,全波差动整流电路,第5章 电感式传感器,5.1 变磁阻式电感传感器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,一、电涡流式传感器基本原理,涡流式传感器的基本原理：利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流：若一金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流 时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称之为电涡流或涡流。,若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。,5.3 电涡流式传感器,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。,激励线圈,金属导体,二、电涡流式传感器输出特性,被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可认为是一匝短路线圈，电阻为R2、电感为L2。线圈与被测导体等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，随线圈与导体间距的减小而增大。,电涡流式传感器等效电路,4.3 电涡流式传感器,根据基尔霍夫第二定律，有,1、等效电路,二、电涡流式传感器输出特性,解方程得等效阻抗的表达式为,线圈受电涡流影响后的等效电感,4.3 电涡流式传感器,线圈受电涡流影响后的等效电阻,2、等效阻抗与品质因数,线圈等效品质因数,特性参数影响因素： Q： L2, R2, L1, R1, , MReq、Leq、Q是M2的函数,三、电涡流式传感器的基本类型,电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。,4.3 电涡流式传感器,高频信号激励传感器线圈产生高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，产生电涡流，而电涡流又产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。,1、高频反射式,从能量角度分析，被测导体内存在着电涡流损耗，使传感器的Q值和等效阻抗Z降低。当被测体与传感器间距离改变时，传感器的Q和Z、电感L均发生变化，位移量转换成电量。,三、电涡流式传感器基本类型,4.3 电涡流式传感器,发射线圈和接收线圈置于被测金属板上下方。当低频电压加到线圈1的两端后，产生磁场线的一部分透过金属板，使线圈2产生感应电动势。但涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。,2、低频透射式,电动势的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。电动势随材料厚度的增加按负指数规律减少。若金属板材料的性质一定，即可测厚度。,三、电涡流式传感器测量电路,1、调频式电路,电涡流传感器的测量电路主要有调频式、 调幅式电路和交流电桥等。,传感器线圈接入振荡回路，当传感器与被测导体距离改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。,5.3 电涡流式传感器,频率变化是距离的函数，频率可由数字频率计直接测量，或通过频率电压变换，用电压表测量对应的电压。,三、电涡流式传感器测量电路,2、调幅式电路,传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成石英晶体振荡电路。,当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，输出电压降低，L的数值随距离的变化而变化。因此，输出电压也随而变化。,4.3 电涡流式传感器,石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率f0稳定的激励电流io，LC回路的阻抗为Z时输出电压,第5章 电感式传感器,5.1 变磁阻式电感传感器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,载有交变电流的线圈产生交变磁场Hp，金属物平面感应出电涡流，产生交变涡流磁场Hs ，均在检测线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。,一、电涡流式传感器应用,5.4 电感式传感器的应用,1、无损金属材料探伤, 被测金属物上无缺陷穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。,一、电涡流式传感器应用,5.4 电感式传感器的应用,1、无损金属材料探伤, 被测金属物上有缺陷穿过两个检测线圈的磁通量不相等，检测线圈输出感应