生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用：第五章 電感傳感器

1、第五章 電感式傳感器 利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)非電量 （位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩等）轉(zhuǎn)換為電 感量的變化，再轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電量 的變化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 特點(diǎn)： 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，壽命長(zhǎng)； 2、靈敏度高，分辨率高（0.1m）； 3、性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，線性度 好； 4、輸出信號(hào)強(qiáng)，不用放大器，可 達(dá)幾十到幾百毫伏。 基本原理： 工作原理： 5.1 自感式傳感器 利用電感元件把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感的自感系數(shù)的變化。可 進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量，應(yīng)用廣泛。 5.1.1閉磁路自感傳感器。 原理結(jié)構(gòu)圖 磁路由鐵芯和氣隙組成，鐵芯又分 為動(dòng)鐵芯和固定鐵芯?？偞抛鑂M 鐵芯磁阻： 1 / n Fiii t R

2、ls 氣隙磁阻： 000 2 /Rls 當(dāng)鐵芯工作在非飽和狀態(tài)時(shí)，第一項(xiàng)可忽略。 N L I m I N R 電感 22 0 0 0 2 m NsN L Rl 由上式可知，L與l0、s0、0等參數(shù)有關(guān)，與電容傳感器 類似?？梢詷?gòu)成變氣隙式l0，變面積式s0，變導(dǎo)磁率式0等 各類傳感器。 總磁阻： mF RRR 等效電路： 電感式傳感器從電路看并非純電感，存在線圈的銅損耗，鐵 芯的渦流以及磁滯損耗，用有功電阻R表示，還有L的感抗，分布 電容C的容抗。 等效電路 22 0mM NN L RZZ ()/ MccMM ZRZZRjX ZM鐵芯部分的磁阻抗，Z0空氣隙磁阻抗 非線性和靈敏度： 22 0

3、0 0 2 m NsN L Rl 變氣隙面積S0型為線性關(guān)系，而變氣隙長(zhǎng)度l型為非線性關(guān)系： 初始?xì)庀秎0，初始電感： 2 0 0 0 2 Ns L l 當(dāng)銜鐵位移l，電感變?yōu)椋?2 0 0 2() Ns L ll 電感變化量為： 00 0 l LLLL ll 靈敏度為： 2 00 0000 0 1 1() 1 LLLll K l lllll l 當(dāng)lr, lcrc 從上式可以看出，當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，總電感量與 鐵芯的直線位移近似呈線性關(guān)系。 差動(dòng)螺線管：兩個(gè)完全相同的螺線管相接，初始鐵芯處于對(duì)稱 位置，使兩邊螺線管的初始電感量相等。即 L10=L20 初始電感： 2 22 0 1020 2

4、 () m cc N LLr lr l l 當(dāng)鐵芯移動(dòng)l后， 2 22 0 1 2 2 22 0 2 2 () () cmc cmc N Lr lrll l N Lr lrll l 110 LLL 22 0 2 cm Nrl L l （單個(gè)線圈） 0 2 1 1 1() c ccm LL K lr ll lr 單個(gè)線圈靈敏度： 可知：lc、rc時(shí)，L0，但K，因此lc不宜過(guò)大，一般取 2 l lc 5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈的互感變化來(lái)測(cè)量（互感傳感器） 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，靈敏度高，測(cè)量范圍寬 5.2.1工作原理 被測(cè)量 差動(dòng)變壓器 （互感系數(shù)可變） 互感系 數(shù)變

5、化 次級(jí)感應(yīng) 電壓變化 交流激勵(lì) 電壓輸出 U0差動(dòng) 11111 121211 21 1 ,/ j tj t a II edIdtj I ej I dddIdI EMj M I dtdIdtdt 則 而感應(yīng)電壓: 5.2.2 等效電路 穿過(guò)N2的磁鏈： 12212 N 12為初級(jí)線圈的磁通11穿過(guò)N2次 級(jí)線圈的部份 初級(jí)線圈的電流為： 1 1 1 E I rj L 輸出電壓為： 1 222 11 () aabab E EEEjMM rj L 2 E 分子分母同乘 ，然后按照 11 rj L 次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓為： 21aa Ej MI 21bb Ej MI 互感系數(shù)： 121 / aa Md

6、dI 121 / bb MddI 22 2 | em ERI 5.2.3 差動(dòng)變壓器傳感器參數(shù)選取 計(jì)算可得輸出幅度： 1 2 22 11 () () ab MME E rL 輸出阻抗： 2222abab Zrrj lj l （串聯(lián)） 首先確定鐵芯長(zhǎng)度lc 確定激勵(lì)繞組長(zhǎng)度b，應(yīng)在給定的非線性誤差及最大動(dòng)態(tài)范 圍lmax的條件下決定 bdllc)(2 0 2/ max lb 確定次級(jí)線圈的長(zhǎng)度m lc/rc及R/r的比例可按經(jīng)驗(yàn)選取，一般， lc/rc20左右， R/r 28之間，而且rc與r盡量相近，即使鐵芯與螺線管內(nèi)壁之 間的內(nèi)壁間隙盡量小。 N1，N2選取時(shí)要考慮發(fā)熱溫升的允許值、窗口面

7、積、供電電 源電壓的高低等因素，一般情況下不超過(guò)5V 靈敏度K進(jìn)行計(jì)算 骨架材料的選?。悍尤┧芰?、陶瓷或聚四氟乙烯，不銹鋼 max0 llm max lbm 注意保持兩個(gè)次級(jí)繞組的一致性。R/r比值越大，線性越 好，但靈敏度越低。 5.2.4 差動(dòng)變壓器傳感的誤差的誤差 1、激勵(lì)源頻率和幅度不穩(wěn)定引起的誤差。 2、溫度、濕度變化，使幾何尺寸變化。 3、兩電感線圈（次級(jí)）等效參數(shù)不對(duì)稱，不平衡誤差。 （幾何尺寸，電氣性能） 產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓e。 補(bǔ)償：設(shè)計(jì)和工藝；拆圈實(shí)驗(yàn)法；電路。（如橋 路中調(diào)零電位器） 5.3 電渦流式傳感器 特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量，測(cè)量范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受介質(zhì) 影響，頻帶寬，

8、抗干擾能力強(qiáng)。 在非接觸的情況下把位移、厚度等非電量轉(zhuǎn)換成電量測(cè)量 5.3.1 工作原理及等效電路 主要由固定于框架上的扁平線圈。如果在線圈中通過(guò) 正弦交流電，在線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬導(dǎo) 體靠近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻 率，磁導(dǎo)率，厚度d，線圈與金屬導(dǎo)體的距離x，線圈勵(lì) 磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)，如果固定某些參數(shù)，就可根 據(jù)渦流的大小測(cè)量出剩下的那些參數(shù)。 根據(jù)等效電路，按基爾霍夫電壓定律可列出如下方程： 1 11 12 12222 0 R Ij L Ij MIE j MIR Ij L I 解方程組： 22 2 2 2 22 122 2 2 2 22 1 1 1

9、 L LR M LjR LR M R E I 2 2 22 2 1212 2 22 1 2 LR IMRjILM LjR IM jI 由此可求出線圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗Z eqeq ZRj l 22 2 1 222 22 22 12 222 22 eq eq M R RR RL M LLL RL Req、leq分別為線圈受到金屬導(dǎo)體影響后的有功電阻和等效電感。 線圈的品質(zhì)因素為： / eqeqeq QlR 電氣參數(shù)Z、Req、leq、Qeq均是M的函數(shù)，即距離x的函數(shù)。 可通過(guò)測(cè)量以上電氣參數(shù)的變化來(lái)測(cè)量使其變化的非電量。 5.3.2 電渦流的形成范圍電渦流的形成范圍 由于電渦流在金屬內(nèi)

10、部的分布很不均勻，其密度不僅是距離 x的函數(shù)，而且電渦流只能在金屬表面薄層內(nèi)形成，在半徑方向 也只能在有限的范圍內(nèi)形成，其計(jì)算很復(fù)雜，從三個(gè)方面進(jìn)行定 性說(shuō)明 1、渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系 電渦流強(qiáng)度I2隨線圈與導(dǎo)體間的距離x與線圈外徑r0s的比值 的增大而迅速減小。應(yīng)使x/r0s1.8r0時(shí)，jx50Hz，血壓頻譜20Hz。 5.5.2 變壓器式嬰兒呼吸監(jiān)視儀變壓器式嬰兒呼吸監(jiān)視儀 兩個(gè)帶鐵芯的線圈對(duì)稱安置在嬰兒兩側(cè)肋骨邊緣處。 呼吸肺活量變化兩線圈距離變化互感變化副邊感 應(yīng)電壓變化 自動(dòng)增益控制作用： （1）自動(dòng)補(bǔ)償由于長(zhǎng)期工作引起線圈位移而造成的非呼吸運(yùn)動(dòng)偽差。 （2）可以不必在每次測(cè)量時(shí)都因傳感器位置差別而調(diào)節(jié)靈敏度。 觸發(fā)器由呼呼節(jié)律而不是由幅值進(jìn)行觸發(fā)，可防止非呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 假象