1、第五章 電感式傳感器生物醫(yī)學(xué)工程系醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用電感式傳感器 應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，將非電量參數(shù)如：位移、壓力、應(yīng)變、流量等轉(zhuǎn)換成電感量的變化，然后通過相應(yīng)的測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流形式輸出，實(shí)現(xiàn)非電量檢測的一種裝置。主要包括線圈、鐵芯和活動銜鐵三個(gè)部分。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、可靠分辨率高 機(jī)械位移0.1um，角位移0.1角秒輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mv/mm重復(fù)性好，線性度優(yōu)良能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制不宜高頻動態(tài)測量電感式傳感器的主要分類自感式互感式（差動變壓器式）電渦流式F36V交流毫安表交流毫安表交流電壓源交流電壓源交流接觸器線圈交流接觸器線圈自感式電感傳感

2、器 氣隙變小，電感變大，電流變小自感傳感器的基本工作原理演示自感式電感傳感器S1l1L1W23l21線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動鐵芯)S2圖5 1 電感式傳感器 線圈中電感量可由下式確定： WLII（5-1） 根據(jù)磁路歐姆定律：mRIW（5-2） 式中, Rm為磁路總磁阻。 氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為 002221112SSlSlRm（5-3） 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 222001110022SlSSlS（5-4） 則式（5-3）可寫為 002SRm（5-5） 聯(lián)立式（5-1）、 式（5-2）及式（5-5）， 可得 200

3、22SWRWLm（5-6） 上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或S0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。 目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。簡單自感式123圖4-1 變間隙型電感傳感器1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵321圖4-2 變面積型電感傳感器1-銜鐵 2-鐵芯 3-線圈氣隙型電感傳感器螺線管型電感傳感器123圖4-1 變間隙型電感傳感器1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵r2ra1圖4-4 螺管型電感傳感器1-線圈 2-銜鐵a 變氣隙厚度型b 變氣隙面積型變氣隙厚度型：L與之間是非線性關(guān)系， 特性曲線如圖

4、5-2所示。20022SWRWLm圖5-2 變隙電感傳感器的L-特性當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為： 020002WSL （5-7） 當(dāng)銜鐵上移時(shí)，傳感器氣隙減小，即=0， 則此時(shí)輸出電感為00000201)(2LSWLLL（5-8） 當(dāng)/02LC 且 2LC1時(shí)，上式可近似為 ZRj L 2.交流電橋式測量電路交流電橋式測量電路 把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻R代替。設(shè)Z1=Z+Z1, Z2=ZZ2，Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗， Z1, Z2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。對于高Q值的差動式電感傳感器， 有Z1+Z2j(L

5、1+L2)， 則電橋輸出電壓為1212()2(Z )2ZoZZUUULLZ (5-20) 圖5-5 交流電橋測量電路 Z1Z2Z3 RZ4 RoUU1012ZRUUZZRR銜鐵上移：兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2分別由式（5-10）及式（5-12）表示， 差動傳感器電感的總變化量L=L1+L2, 具體表達(dá)式為 4020002112LLLL（5-21） 對上式進(jìn)行線性處理, 即忽略高次項(xiàng)得 002LL（5-22） 靈敏度K0為 0002LLK（5-23） 比較單線圈式和差動式： 差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動式的非線性項(xiàng)(忽略高次項(xiàng))：單線圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng))：由于

6、/01，因此，差動式的線性度得到明顯改善。 3002/ LL200/LL將 代入式（5-20）得002LL0002 LU電橋輸出電壓與成正比關(guān)系。 UC2U2UZ1Z2oUABD圖5-6 變壓器式交流電橋 3. 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測量電路如圖5-6所示，電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)， 橋路輸出電壓 2211212122oZZZ UUUUZZZZ(5-24) 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z，此時(shí)有 ， 電橋平衡。 0oU當(dāng)傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ， 22ULLU

7、ZZUo(5-25) 當(dāng)傳感器銜鐵下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此時(shí) 22ULLUZZUo(5-26) 可知：銜鐵上下移動相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于 是交流電壓， 輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。 U 4. 諧振式測量電路諧振式測量電路 包括諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路。調(diào)幅電路： 傳感器電感L與電容C、 變壓器原邊串聯(lián)在一起， 接入交流電源 ，變壓器副邊將有電壓 輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化，圖5-7(b)為輸出電壓 與電感L的關(guān)系曲線，其中L0為諧振點(diǎn)的電感值。特點(diǎn)：此電路靈敏度很高，但線性差，適用

8、于線性度要求不高的場合。 UoUUoUOL0LoUTUCL(a)(b)圖5-7 諧振式調(diào)幅電路 圖5-8 諧振式調(diào)頻電路 GCLffoL(a)(b)調(diào)頻電路：是傳感器電感L的變化將引起輸出電壓頻率的變化。 通常把傳感器電感L和電容C接入一個(gè)振蕩回路中， 其振蕩頻率。當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。圖5-8(b)表示f與L的關(guān)系曲線，它具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。 )2/(1LCf互感式電感傳感器 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為線圈互感的變化，其工作原理類似變壓器，但其副邊接成差動式，故又稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。 在非電量測量中，

9、應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器， 它可以測量1100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。 1. 工作原理工作原理 假設(shè)閉磁路變隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)如圖5-11（a）所示， 在A、B兩個(gè)鐵芯上繞有W1 a=W1 b=W1的兩個(gè)初級繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)次級繞組。兩個(gè)初級繞組的同名端順向串聯(lián)， 而兩個(gè)次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。 iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)圖 5-11 差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C

10、處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有a0=b0=0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。 當(dāng)被測體有位移時(shí)，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab，互感MaMb，兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。 .圖5-12 差動變壓器等效電路 2. 等效電路等效電路 一次繞組的電流為： 二次繞組的感應(yīng)動勢為 由于二次繞組反向串接，所以輸出總

11、電動勢: 11.11.LjRUI.1121.IMjE.1222.IMjE11.1212.)(LjRUMMjE21211212)()(LRUMME1222212111,INMINM電渦流式傳感器電渦流當(dāng)通過金屬導(dǎo)體的磁通量變化時(shí)，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的。渦流效應(yīng)電渦流的產(chǎn)生消耗一部分能量，使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流使通電線圈的等效阻抗發(fā)生變化，線圈等效阻抗的變化反映了金屬導(dǎo)體的渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)與被測金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。通過電路可將被測金屬參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。電渦流

12、傳感器根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。),(xfIrfZZ:高頻渦流傳感器線圈阻抗 :電導(dǎo)率:導(dǎo)磁率 r：線圈半徑等幾何尺寸I:線圈電流 f:頻率 x:距離浮子的位移變成電量： 液位升高，液體對浮子的浮力F，破壞平衡狀態(tài)。浮子上升，鐵心上移，電感變化，輸出信號改變。自感式傳感器測液位電感式傳感器應(yīng)用位移測量儀位移測量包含：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。數(shù)顯位移測量儀及探頭數(shù)顯位移測量儀及探頭電感式傳感器應(yīng)用測轉(zhuǎn)速 若轉(zhuǎn)軸上開z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式為 60 fnz電感式傳感器應(yīng)用電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈電渦流的應(yīng)用 電磁爐電感式傳感器應(yīng)用高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。電磁爐的工作原理電感式傳感器應(yīng)用電渦流的應(yīng)用 大直徑電渦流探雷器 電感式傳感器應(yīng)用封口機(jī)市場上自動封口機(jī)，利用電渦流原理。待封口位置含鋁，檢測到封口位置時(shí)，電渦流效應(yīng)產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)封口。間