生物醫(yī)學傳感器原理及應用：第五章 電感傳感器

1、第五章 電感式傳感器 利用電磁感應原理，將被測非電量 （位移、壓力、振動、轉矩等）轉換為電 感量的變化，再轉換為電壓、電流等電量 的變化，實現(xiàn)測量。 特點： 1、結構簡單，工作可靠，壽命長； 2、靈敏度高，分辨率高（0.1m）； 3、性能穩(wěn)定，重復性好，線性度 好； 4、輸出信號強，不用放大器，可 達幾十到幾百毫伏。 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非電量轉換為電感的自感系數(shù)的變化。可 進行動態(tài)和靜態(tài)測量，應用廣泛。 5.1.1閉磁路自感傳感器。 原理結構圖 磁路由鐵芯和氣隙組成，鐵芯又分 為動鐵芯和固定鐵芯?？偞抛鑂M 鐵芯磁阻： 1 / n Fiii t R

2、ls 氣隙磁阻： 000 2 /Rls 當鐵芯工作在非飽和狀態(tài)時，第一項可忽略。 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，與電容傳感器 類似。可以構成變氣隙式l0，變面積式s0，變導磁率式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型為線性關系，而變氣隙長度l型為非線性關系： 初始氣隙l0，初始電感： 2 0 0 0 2 Ns L l 當銜鐵位移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lr, lcrc 從上式可以看出，當滿足一定的條件時，總電感量與 鐵芯的直線位移近似呈線性關系。 差動螺線管：兩個完全相同的螺線管相接，初始鐵芯處于對稱 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 當鐵芯移動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 （單個線圈） 0 2 1 1 1() c ccm LL K lr ll lr 單個線圈靈敏度： 可知：lc、rc時，L0，但K，因此lc不宜過大，一般取 2 l lc 5.2 差動變壓器式傳感器 把被測量轉換成線圈的互感變化來測量（互感傳感器） 特點：結構簡單，測量精度高，靈敏度高，測量范圍寬 5.2.1工作原理 被測量 差動變壓器 （互感系數(shù)可變） 互感系 數(shù)變

5、化 次級感應 電壓變化 交流激勵 電壓輸出 U0差動 11111 121211 21 1 ,/ j tj t a II edIdtj I ej I dddIdI EMj M I dtdIdtdt 則 而感應電壓: 5.2.2 等效電路 穿過N2的磁鏈： 12212 N 12為初級線圈的磁通11穿過N2次 級線圈的部份 初級線圈的電流為： 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 次級線圈的感應電壓為： 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 差動變壓器傳感器參數(shù)選取 計算可得輸出幅度： 1 2 22 11 () () ab MME E rL 輸出阻抗： 2222abab Zrrj lj l （串聯(lián)） 首先確定鐵芯長度lc 確定激勵繞組長度b，應在給定的非線性誤差及最大動態(tài)范 圍lmax的條件下決定 bdllc)(2 0 2/ max lb 確定次級線圈的長度m lc/rc及R/r的比例可按經(jīng)驗選取，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壁之 間的內壁間隙盡量小。 N1，N2選取時要考慮發(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5V 靈敏度K進行計算 骨架材料的選?。悍尤┧芰稀⑻沾苫蚓鬯姆蚁?，不銹鋼 max0 llm max lbm 注意保持兩個次級繞組的一致性。R/r比值越大，線性越 好，但靈敏度越低。 5.2.4 差動變壓器傳感的誤差的誤差 1、激勵源頻率和幅度不穩(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）等效參數(shù)不對稱，不平衡誤差。 （幾何尺寸，電氣性能） 產(chǎn)生零點殘余電壓e。 補償：設計和工藝；拆圈實驗法；電路。（如橋 路中調零電位器） 5.3 電渦流式傳感器 特點：非接觸式測量，測量范圍大，結構簡單，不受介質 影響，頻帶寬，

8、抗干擾能力強。 在非接觸的情況下把位移、厚度等非電量轉換成電量測量 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 正弦交流電，在線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場，當金屬導 體靠近時，就會產(chǎn)生渦流。渦流的大小與金屬導體的電阻 率，磁導率，厚度d，線圈與金屬導體的距離x，線圈勵 磁電流的角頻率等參數(shù)有關，如果固定某些參數(shù)，就可根 據(jù)渦流的大小測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體影響后的有功電阻和等效電感。 線圈的品質因素為： / 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)。 可通過測量以上電氣參數(shù)的變化來測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

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形成，在半徑方向 也只能在有限的范圍內形成，其計算很復雜，從三個方面進行定 性說明 1、渦流強度與距離的關系 電渦流強度I2隨線圈與導體間的距離x與線圈外徑r0s的比值 的增大而迅速減小。應使x/r0s1.8r0時，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 兩個帶鐵芯的線圈對稱安置在嬰兒兩側肋骨邊緣處。 呼吸肺活量變化兩線圈距離變化互感變化副邊感 應電壓變化 自動增益控制作用： （1）自動補償由于長期工作引起線圈位移而造成的非呼吸運動偽差。 （2）可以不必在每次測量時都因傳感器位置差別而調節(jié)靈敏度。 觸發(fā)器由呼呼節(jié)律而不是由幅值進行觸發(fā)，可防止非呼吸運動產(chǎn)生的 假象