生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用-第五章-電感式傳感器

1、生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系第五章 電感式傳感器生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 第5章 電感式傳感器 生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 第5章 電感式傳感器 生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 第5章 電感式傳感器 5.1 自感式電感傳感器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器5.3 電渦流式傳感器5.4 電感式傳感器的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系自感式電感傳感器：利用線圈自感量自感式電感傳感器：利用線圈自感量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。傳感器結(jié)構(gòu)：傳感器結(jié)構(gòu)：線圈、鐵芯和銜鐵三部線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。分組成。一

2、、變磁阻式傳感器工作原理一、變磁阻式傳感器工作原理5.1 自感式電感傳感器線圈中電感量：線圈中電感量：MRININL線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵工作原理：工作原理：鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，使銜鐵產(chǎn)生與銜鐵相連。當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，使銜鐵產(chǎn)生位移，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感位移，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感量變化。線圈的電感量變化。因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變

3、化，就能確定就能確定銜鐵位移量的大小和方向銜鐵位移量的大小和方向。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、自感式傳感器工作原理一、自感式傳感器工作原理5.1 自感式電感傳感器MRININLRRF2202ANRNLAR02222111AlAlRFRRRFMARRm02線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵l1l2生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系變磁阻式傳感器即自感式電感傳感器變磁阻式傳感器即自感式電感傳感器的基本類型：的基本類型：二、自感式傳感器基本類型二、自感式傳感器基本類型5.1 自感式電感傳感器線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵（1 1）變氣隙厚度式）變氣隙厚度式（2 2）變氣隙面積式）變氣隙面積式變

4、截面式和螺管式變截面式和螺管式線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵銜鐵移動(dòng)方向銜鐵移動(dòng)方向生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系三、自感式電感傳感器輸出特性三、自感式電感傳感器輸出特性5.1 自感式電感傳感器線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵當(dāng)當(dāng)/0R，則有，則有Z1+Z2j(L1+L2)電感式傳感器的測(cè)量電路：電感式傳感器的測(cè)量電路：交流電橋、變壓器式交流電橋以及交流電橋、變壓器式交流電橋以及諧振式等。諧振式等。 1 1、交流電橋式測(cè)量電路、交流電橋式測(cè)量電路生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器線性處理后

5、電橋輸出電壓為線性處理后電橋輸出電壓為1 1、交流電橋式測(cè)量電路、交流電橋式測(cè)量電路)()(21LLURZZZRUo差動(dòng)式傳感器的電感靈敏度差動(dòng)式傳感器的電感靈敏度K0為為0002/LLK 變間隙差動(dòng)式電感傳感器的靈敏變間隙差動(dòng)式電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。度是單線圈式的兩倍。 差動(dòng)式的線性度明顯改善。差動(dòng)式的線性度明顯改善。 002LUo輸出電壓與輸出電壓與成正比。成正比。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系曲線曲線1、2為兩線圈各自電感特性；為兩線圈各自電感特性；曲線曲線3為兩線圈差接時(shí)的電感特性；為兩線圈差接時(shí)的電感特性；曲線曲線4為差接后電橋輸出電壓與銜鐵為差接后電橋輸出電

6、壓與銜鐵位移的特性曲線。位移的特性曲線。七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器1 1、交流電橋式測(cè)量電路、交流電橋式測(cè)量電路U0L/mH/mmL043211234-電橋輸出特性：電橋輸出特性：電橋輸出電壓大小與銜鐵位移量電橋輸出電壓大小與銜鐵位移量有關(guān)，相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。有關(guān)，相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上移動(dòng)若設(shè)銜鐵向上移動(dòng)為負(fù)，則為負(fù)，則U0為為負(fù)；銜鐵向下移動(dòng)負(fù)；銜鐵向下移動(dòng)為正，則為正，則U0為正，為正，相位差相位差180。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系變壓器式交流電橋測(cè)量電路，電橋變壓器式交流電橋測(cè)量電路，電橋兩橋臂分別為傳

7、感器兩線圈的阻抗，另兩橋臂分別為傳感器兩線圈的阻抗，另外兩橋臂分別為電源變壓器的兩次級(jí)線外兩橋臂分別為電源變壓器的兩次級(jí)線圈，其阻抗為次級(jí)線圈總阻抗的一半。圈，其阻抗為次級(jí)線圈總阻抗的一半。七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器2 2、變壓器式交流電橋、變壓器式交流電橋測(cè)量時(shí)被測(cè)件與傳感器測(cè)量時(shí)被測(cè)件與傳感器銜鐵相連，當(dāng)銜鐵處于中間銜鐵相連，當(dāng)銜鐵處于中間位置，即位置，即Z1=Z2=Z時(shí)電橋輸時(shí)電橋輸出電壓為零，電橋平衡。出電壓為零，電橋平衡。 Z1Z2IABCD0U2U2UoU2212112212UZZZZUUZZZUUUBAo當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路

8、輸出當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓為電壓為 生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，若線圈的，若線圈的Q值很高，損耗電值很高，損耗電阻可忽略，則阻可忽略，則橋路輸出電壓為橋路輸出電壓為 七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器2 2、變壓器式交流電橋、變壓器式交流電橋當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)相同距當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，電橋輸出電壓大小相離時(shí)，電橋輸出電壓大小相等而相位相反。要判斷銜鐵等而相位相反。要判斷銜鐵方向需要經(jīng)過(guò)相敏檢波電路方向需要經(jīng)過(guò)相敏檢波電路的處理。的處理。 Z1Z2IABCD0U

9、2U2UoU2222112ULLUZZUZZZZUo2222112ULLUZZUZZZZUo當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，橋路輸出電壓為橋路輸出電壓為 生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器2 2、變壓器式交流電橋、變壓器式交流電橋生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 銜鐵中間位置銜鐵中間位置七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器3 3、相敏檢波測(cè)量電路、相敏檢波測(cè)量電路1L2LEFJKGH21LL HGUU 銜鐵上移銜鐵上移L1增大，自

10、感電動(dòng)勢(shì)增加；增大，自感電動(dòng)勢(shì)增加；L2減小，自感電動(dòng)勢(shì)減少。減小，自感電動(dòng)勢(shì)減少。 正半周正半周E點(diǎn)電勢(shì)高，點(diǎn)電勢(shì)高，F(xiàn)點(diǎn)低點(diǎn)低通路通路EJGF，UG降低降低通路通路EKHF，UH升高升高HGUU 負(fù)半周負(fù)半周F點(diǎn)電勢(shì)高，點(diǎn)電勢(shì)高，E點(diǎn)低點(diǎn)低通路通路EJHF，UG降低降低通路通路EKGF，UH升高升高HGUU 結(jié)論：結(jié)論：無(wú)論是正半周還是負(fù)半周，無(wú)論是正半周還是負(fù)半周，銜鐵上移時(shí)銜鐵上移時(shí)UGUH。銜鐵下移時(shí)，銜鐵下移時(shí)，UGUH;銜鐵上移時(shí)，銜鐵上移時(shí)，UGUH。通過(guò)相敏檢波電路輸出電壓的通過(guò)相敏檢波電路輸出電壓的正負(fù)可判斷銜鐵位移的方向。正負(fù)可判斷銜鐵位移的方向。相敏檢波電路輸出電壓的相

11、敏檢波電路輸出電壓的大小和正負(fù)大小和正負(fù)判斷銜鐵位移的判斷銜鐵位移的大小和方向。大小和方向。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系兩類諧振式測(cè)量電路：兩類諧振式測(cè)量電路：諧振式調(diào)幅電路；諧振式調(diào)頻電路諧振式調(diào)幅電路；諧振式調(diào)頻電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器4 4、諧振式測(cè)量電路、諧振式測(cè)量電路（1）諧振式調(diào)幅電路）諧振式調(diào)幅電路傳感器電感傳感器電感L與電容與電容C、 變壓器原邊串聯(lián)變壓器原邊串聯(lián)在一起，接入交流電源，變壓器副邊輸出電壓，在一起，接入交流電源，變壓器副邊輸出電壓，電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感電壓的頻率與電源頻率相同，

12、而幅值隨著電感L而變化。而變化。輸出電壓與電感的關(guān)系曲線中輸出電壓與電感的關(guān)系曲線中L0為諧振點(diǎn)為諧振點(diǎn)的電感值，電路靈敏度很高，的電感值，電路靈敏度很高， 但線性差，適用但線性差，適用于線性度要求不高的場(chǎng)合。于線性度要求不高的場(chǎng)合。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器4 4、諧振式測(cè)量電路、諧振式測(cè)量電路（2）諧振式調(diào)頻電路）諧振式調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理：調(diào)頻電路的基本原理：傳感器電感傳感器電感L的變化引起輸出電壓頻率的變化。的變化引起輸出電壓頻率的變化。通常傳感器電感通常傳感器電感L和電容和電容C接入一個(gè)接

13、入一個(gè)振蕩回路中，其振蕩頻率為振蕩回路中，其振蕩頻率為當(dāng)當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)據(jù)頻率頻率的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。振蕩頻率振蕩頻率與與電感變化之間電感變化之間具有嚴(yán)重的具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。非線性關(guān)系。 )2/(1LCf生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器5 5、零點(diǎn)殘余電壓、零點(diǎn)殘余電壓自感式傳感器測(cè)量電橋電路，當(dāng)兩線自感式傳感器測(cè)量電橋電路，當(dāng)兩線圈的阻抗相等，即圈的阻抗相等，即Z1=Z2時(shí)，電橋平衡，時(shí)，電橋平衡，輸出電壓為零。輸出電壓為零。傳

14、感器阻抗是一個(gè)復(fù)阻抗，為了達(dá)到傳感器阻抗是一個(gè)復(fù)阻抗，為了達(dá)到電橋平衡，就要求兩線圈的電阻相等，兩電橋平衡，就要求兩線圈的電阻相等，兩線圈的電感也要相等。線圈的電感也要相等。實(shí)際上這種情況是不能精確達(dá)到的，因而在傳感器輸入量為零實(shí)際上這種情況是不能精確達(dá)到的，因而在傳感器輸入量為零時(shí)，電橋有一個(gè)不平衡輸出電壓時(shí)，電橋有一個(gè)不平衡輸出電壓Uo。在輸出電壓與活動(dòng)銜鐵位移的關(guān)系曲線圖中，虛線為理論特性在輸出電壓與活動(dòng)銜鐵位移的關(guān)系曲線圖中，虛線為理論特性曲線，實(shí)線為實(shí)際特性曲線。傳感器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為曲線，實(shí)線為實(shí)際特性曲線。傳感器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零零點(diǎn)殘余電壓點(diǎn)殘余電壓，記作，記作

15、Uo。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器5 5、零點(diǎn)殘余電壓、零點(diǎn)殘余電壓（1）零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因）零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因零點(diǎn)殘余電壓主要由基波分量和高次零點(diǎn)殘余電壓主要由基波分量和高次諧波分量組成。諧波分量組成。 兩電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體兩電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體幾何尺寸不完全對(duì)稱，在兩電感線圈上的幾何尺寸不完全對(duì)稱，在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成零點(diǎn)殘余電壓幅值和相位不同，從而形成零點(diǎn)殘余電壓的基波分量。電壓的基波分量。 傳感器導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線傳感器導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性（如鐵磁飽

16、和、磁滯損耗），使激勵(lì)電性（如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵(lì)電流與磁通波形不一致，從而形成零點(diǎn)殘余流與磁通波形不一致，從而形成零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波分量。電壓的高次諧波分量。（2）零點(diǎn)殘余電壓）零點(diǎn)殘余電壓的影響的影響 傳感器輸出特性傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，限在零點(diǎn)附近不靈敏，限制了分辨率的提高。制了分辨率的提高。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系七、自感式傳感器的測(cè)量電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路5.1 自感式電感傳感器5 5、零點(diǎn)殘余電壓、零點(diǎn)殘余電壓 在電路上進(jìn)行補(bǔ)在電路上進(jìn)行補(bǔ)償。償。這是一種既簡(jiǎn)單又這是一種既簡(jiǎn)單又行之有效的方法。行之有效的方法。（2）零點(diǎn)殘余電壓的影響）

17、零點(diǎn)殘余電壓的影響 零點(diǎn)殘余電壓太大，使線性度變零點(diǎn)殘余電壓太大，使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡?，壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡停氯杏眯盘?hào)通過(guò)，致使儀器不再反映被堵塞有用信號(hào)通過(guò)，致使儀器不再反映被測(cè)量的變化。測(cè)量的變化。（3）減小零點(diǎn)殘余電壓的措施）減小零點(diǎn)殘余電壓的措施 在設(shè)計(jì)和工藝上，力求做到磁路在設(shè)計(jì)和工藝上，力求做到磁路對(duì)稱，鐵芯材料均勻；要經(jīng)過(guò)熱處理以除對(duì)稱，鐵芯材料均勻；要經(jīng)過(guò)熱處理以除去機(jī)械應(yīng)力和改善磁性；兩線圈繞制要均去機(jī)械應(yīng)力和改善磁性；兩線圈繞制要均勻，力求幾何尺寸與電氣特性保持一致。勻，力求幾何尺寸與電氣特性保持一致。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物

18、醫(yī)學(xué)工程系 第5章 電感式傳感器 5.1 變磁阻式電感傳感器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器5.3 電渦流式傳感器5.4 電感式傳感器的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系差動(dòng)變壓器式互感傳感器差動(dòng)變壓器式互感傳感器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器基本概念基本概念互感式傳感器：互感式傳感器：被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器。換為線圈互感變化的傳感器。M1234次次級(jí)級(jí)線線圈圈初初級(jí)級(jí)線線圈圈基本種類基本種類有變隙式、變面積式和螺線管式等。有變隙式、變面積式和螺線管式等。應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器?；窘Y(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：主要包括有

19、銜鐵、初級(jí)繞主要包括有銜鐵、初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和線圈框架等。次級(jí)繞組用組、次級(jí)繞組和線圈框架等。次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，也差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)形式連接，也差動(dòng)變壓器式傳感器。 工作原理類似于變壓器。初、次級(jí)繞工作原理類似于變壓器。初、次級(jí)繞組的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即組的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組繞組間的互感隨被測(cè)位移的改變而變化間的互感隨被測(cè)位移的改變而變化。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、螺線管式差動(dòng)變壓器二、變隙式差動(dòng)變壓器三、差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、螺線管式差動(dòng)變壓器一、螺線管式差動(dòng)變

20、壓器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器1 1、螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理、螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理（1）螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)）螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)由初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中由初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。兩個(gè)次級(jí)線圈反向串央的圓柱形鐵芯等組成。兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)，構(gòu)成差動(dòng)式。聯(lián)，構(gòu)成差動(dòng)式。根據(jù)初、次級(jí)線圈排列不同，螺管式差動(dòng)根據(jù)初、次級(jí)線圈排列不同，螺管式差動(dòng)變壓器有變壓器有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等等形式。形式。1 初級(jí)線圈；初級(jí)線圈；2 次級(jí)線；次級(jí)線；3 銜鐵；銜鐵；4導(dǎo)桿導(dǎo)桿1223432121123 二

21、節(jié)式二節(jié)式 三節(jié)式三節(jié)式 四節(jié)式四節(jié)式 五節(jié)式五節(jié)式生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、螺線管式差動(dòng)變壓器一、螺線管式差動(dòng)變壓器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器1 1、螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理、螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理（2）螺線管式差動(dòng)變壓器等效電路）螺線管式差動(dòng)變壓器等效電路在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下等效電路。布電容的理想條件下等效電路。根據(jù)電磁感應(yīng)原理有根據(jù)電磁感應(yīng)原理有變壓器兩次級(jí)繞組反變壓器兩次級(jí)繞組反向串聯(lián)，則差動(dòng)變壓器輸向串聯(lián)，則差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。出電壓為零。baEE22設(shè)差動(dòng)變壓器中初級(jí)線圈的匝數(shù)為設(shè)差動(dòng)變壓

22、器中初級(jí)線圈的匝數(shù)為W1，兩個(gè)次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為，兩個(gè)次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為W1a和和W1b。當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓時(shí)，根。當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓時(shí)，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。若工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱若工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)相等。然會(huì)使兩互感系數(shù)相等。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、螺線管式差動(dòng)變壓器一、螺線管式差動(dòng)變壓器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器2 2、螺線管式差動(dòng)變壓器輸出特性、螺線管式差動(dòng)變壓

23、器輸出特性當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組L2a邊，互感邊，互感Ma增大，增大，Mb減小，因而次級(jí)繞組減小，因而次級(jí)繞組L2a內(nèi)的內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于次級(jí)繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于次級(jí)繞組內(nèi)L2b的感應(yīng)電的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。動(dòng)勢(shì)，差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。當(dāng)次級(jí)兩繞組反向串當(dāng)次級(jí)兩繞組反向串聯(lián)、次級(jí)開路時(shí)差動(dòng)變壓聯(lián)、次級(jí)開路時(shí)差動(dòng)變壓器輸出電壓為器輸出電壓為 111222LjrUMMjEEUbaba當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組L2b邊，差動(dòng)輸邊，差

24、動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但移動(dòng)方向改變，出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但移動(dòng)方向改變，輸出電動(dòng)勢(shì)反相。輸出電動(dòng)勢(shì)反相。差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可知道銜鐵位移的大小和方向。位可知道銜鐵位移的大小和方向。 生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、螺線管式差動(dòng)變壓器一、螺線管式差動(dòng)變壓器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器2 2、螺線管式差動(dòng)變壓器輸出特性、螺線管式差動(dòng)變壓器輸出特性1112LjrUMMjUba輸出電壓的有效值為輸出電壓的有效值為 因此，只要求出互感因此，只要求出互感和對(duì)活動(dòng)銜鐵位移和對(duì)活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系的關(guān)系式，即可得到螺線管式差式，即可得到螺線管式差動(dòng)變壓

25、器的基本特性表達(dá)動(dòng)變壓器的基本特性表達(dá)式。式。212112LrUMMUba當(dāng)激磁電壓的幅值和角頻率、初級(jí)當(dāng)激磁電壓的幅值和角頻率、初級(jí)繞組的直流電阻及電感為定值時(shí)，差動(dòng)繞組的直流電阻及電感為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、螺線管式差動(dòng)變壓器一、螺線管式差動(dòng)變壓器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器2 2、螺線管式差動(dòng)變壓器輸出特性、螺線管式差動(dòng)變壓器輸出特性（1）激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響）激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，使線圈激勵(lì)電源電壓

26、幅值的波動(dòng)，使線圈的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。適當(dāng)選擇頻率，頻率波動(dòng)的影響不大。適當(dāng)選擇頻率，頻率波動(dòng)的影響不大。（2）溫度變化的影響）溫度變化的影響環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率變化，產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈體磁導(dǎo)率變化，產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重。品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重。（3）零點(diǎn)殘余電壓的影響）零點(diǎn)殘余電壓的影響實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)在零點(diǎn)實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)在零點(diǎn)有從零點(diǎn)幾有從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十到數(shù)十mV的殘余電壓。的殘余電壓。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系二、差動(dòng)變壓器

27、式傳感器測(cè)量電路二、差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)變壓器輸出交流電壓，用交流電壓差動(dòng)變壓器輸出交流電壓，用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移大小，不能反映表測(cè)量，只能反映銜鐵位移大小，不能反映移動(dòng)方向；測(cè)量值中還包含零點(diǎn)殘余電壓。移動(dòng)方向；測(cè)量值中還包含零點(diǎn)殘余電壓。7R2R1abhgcfde1U0U3為了辨別移動(dòng)方向和為了辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓，實(shí)際消除零點(diǎn)殘余電壓，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。流電路和相敏檢波電路。 D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e21U2U相敏檢波電路相敏檢波電路全波差動(dòng)整流電

28、路全波差動(dòng)整流電路生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 第5章 電感式傳感器 5.1 變磁阻式電感傳感器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器5.3 電渦流式傳感器5.4 電感式傳感器的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、電渦流式傳感器基本原理一、電渦流式傳感器基本原理渦流式傳感器的基本原理：渦流式傳感器的基本原理：利用金屬利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)。導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)。電渦流：電渦流：若一金屬板置于一只線圈的附近，當(dāng)若一金屬板置于一只線圈的附近，當(dāng)線圈輸入一交變電流線圈輸入一交變電流 時(shí)，便產(chǎn)生交變磁時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)通量，金屬板

29、在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為電渦流或渦流。之為電渦流或渦流。若固定某些參數(shù)，就若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量另可根據(jù)渦流的變化測(cè)量另一個(gè)參數(shù)。一個(gè)參數(shù)。5.3 電渦流式傳感器 渦流的大小與金屬板的電阻率渦流的大小與金屬板的電阻率、磁、磁導(dǎo)率導(dǎo)率、厚度、厚度h、金屬板與線圈的距離、金屬板與線圈的距離、激勵(lì)電流角頻率激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。等參數(shù)有關(guān)。激勵(lì)激勵(lì)線圈線圈金屬金屬導(dǎo)體導(dǎo)體生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系二、電渦流式傳感器輸出特性二、電渦流式傳感器輸出特性被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一被測(cè)導(dǎo)體上形成

30、的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可認(rèn)為是一個(gè)短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可認(rèn)為是一匝短路線圈，電阻為匝短路線圈，電阻為R2、電感為、電感為L(zhǎng)2。線圈與被測(cè)導(dǎo)體等效為兩個(gè)相互耦線圈與被測(cè)導(dǎo)體等效為兩個(gè)相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。，隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。電渦流式傳感器等效電路電渦流式傳感器等效電路4.3 電渦流式傳感器 根據(jù)基爾霍夫第二定律，有根據(jù)基爾霍夫第二定律，有1 1、等效電路、等效電路12222121111IMjILjIRUIMjILjIR生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系二、電渦流式傳感器輸出

31、特性二、電渦流式傳感器輸出特性解方程得等效阻抗的表達(dá)式為解方程得等效阻抗的表達(dá)式為線圈受電渦流影響后線圈受電渦流影響后的等效電感的等效電感 4.3 電渦流式傳感器 線圈受電渦流影響后的等效電阻線圈受電渦流影響后的等效電阻 2 2、等效阻抗與品質(zhì)因數(shù)、等效阻抗與品質(zhì)因數(shù)222222221RLRMRReqeqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ22222222122222222111222222221LLRMLLeq線圈等效品質(zhì)因數(shù)線圈等效品質(zhì)因數(shù) 222212222212011)()(LMRRLMLLQZReZImQ特性參數(shù)影響因素：特性參數(shù)影響因素： Q： L2, R2, L1, R1, ,

32、 MReq、Leq、Q是是M2的函數(shù)的函數(shù)生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系三、電渦流式傳感器的基本類型三、電渦流式傳感器的基本類型電渦流式傳感器可分為電渦流式傳感器可分為高頻反射高頻反射式式和和低頻透射式低頻透射式兩類。兩類。4.3 電渦流式傳感器 高頻信號(hào)激勵(lì)傳感器線圈產(chǎn)生高高頻信號(hào)激勵(lì)傳感器線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，頻交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，產(chǎn)生電渦流，而電渦流又產(chǎn)生一交變產(chǎn)生電渦流，而電渦流又產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)阻礙外磁場(chǎng)的變化。磁場(chǎng)阻礙外磁場(chǎng)的變化。1 1、高頻反射式、高頻反射式從能量角度分析，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存從能量角度分析，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗，使傳感器

33、的在著電渦流損耗，使傳感器的Q值和值和等效阻抗等效阻抗Z降低。當(dāng)被測(cè)體與傳感器降低。當(dāng)被測(cè)體與傳感器間距離改變時(shí)，傳感器的間距離改變時(shí)，傳感器的Q和和Z、電感、電感L均發(fā)生變化，位移量轉(zhuǎn)換成電量。均發(fā)生變化，位移量轉(zhuǎn)換成電量。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系三、電渦流式傳感器基本類型三、電渦流式傳感器基本類型4.3 電渦流式傳感器 發(fā)射線圈和接收線圈置于被測(cè)金發(fā)射線圈和接收線圈置于被測(cè)金屬板上下方。當(dāng)?shù)皖l電壓加到線圈屬板上下方。當(dāng)?shù)皖l電壓加到線圈1的的兩端后，產(chǎn)生磁場(chǎng)線的一部分透過(guò)金兩端后，產(chǎn)生磁場(chǎng)線的一部分透過(guò)金屬板，使線圈屬板，使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但渦產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但渦流消耗

34、部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能量減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)越小。越大，輸出電動(dòng)勢(shì)越小。2 2、低頻透射式、低頻透射式電動(dòng)勢(shì)的大小與金屬板的厚度及電動(dòng)勢(shì)的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。電動(dòng)勢(shì)隨材料厚度材料的性質(zhì)有關(guān)。電動(dòng)勢(shì)隨材料厚度的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少。若金屬板的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少。若金屬板材料的性質(zhì)一定，即可測(cè)厚度。材料的性質(zhì)一定，即可測(cè)厚度。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系三、電渦流式傳感器測(cè)量電路三、電渦流式傳感器測(cè)量電路1 1、調(diào)頻式電路、調(diào)頻式電路 電渦流傳感器的測(cè)量電路主要有調(diào)電渦流傳感

35、器的測(cè)量電路主要有調(diào)頻式、頻式、 調(diào)幅式電路和交流電橋等。調(diào)幅式電路和交流電橋等。 )()(0 xUfxLx傳感器線圈接入振蕩回路，當(dāng)傳感傳感器線圈接入振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離改變時(shí)，在渦流影響器與被測(cè)導(dǎo)體距離改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率的變化。的變化。5.3 電渦流式傳感器 頻率變化是距離的函數(shù)，頻率可由頻率變化是距離的函數(shù)，頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或通過(guò)頻率數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或通過(guò)頻率電壓電壓變換，用電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。變換，用電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。 生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系三、電渦流式傳感器測(cè)量電路

36、三、電渦流式傳感器測(cè)量電路2 2、調(diào)幅式電路、調(diào)幅式電路 )(ZfiUoo傳感器線圈傳感器線圈L、電、電容器容器C和石英晶體組成和石英晶體組成石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩電路。當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離傳感器線圈時(shí)，諧振回路當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離傳感器線圈時(shí)，諧振回路諧振頻率諧振頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近時(shí)，線上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近時(shí)，線圈的等效電感圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，輸發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，輸出電壓降低，出電壓降低，L的數(shù)值隨距離的變化而變化。的數(shù)值隨距離的變化而變化。因此，輸出電壓也隨而變化。因此，輸

37、出電壓也隨而變化。4.3 電渦流式傳感器 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻諧振回路提供一個(gè)頻率率f0穩(wěn)定的激勵(lì)電流穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路的阻抗為回路的阻抗為Z時(shí)時(shí)輸出電壓輸出電壓生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 第5章 電感式傳感器 5.1 變磁阻式電感傳感器5.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器5.3 電渦流式傳感器5.4 電感式傳感器的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系載有交變電流的線圈產(chǎn)載有交變電流的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)生交變磁場(chǎng)Hp，金屬物平，金屬物平面感應(yīng)出電渦流，產(chǎn)生交面感應(yīng)出電渦流，產(chǎn)生交變渦流磁場(chǎng)變渦流磁場(chǎng)Hs ，均

38、在檢測(cè)，均在檢測(cè)線圈（反向差動(dòng)線圈）中線圈（反向差動(dòng)線圈）中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。一、電渦流式傳感器應(yīng)用一、電渦流式傳感器應(yīng)用5.4 電感式傳感器的應(yīng)用1 1、無(wú)損金屬材料探傷、無(wú)損金屬材料探傷金屬物交流電流激勵(lì)線圈檢測(cè)線圈pH交變磁通sH 被測(cè)金屬物上無(wú)缺陷被測(cè)金屬物上無(wú)缺陷穿過(guò)檢測(cè)線圈的兩個(gè)線穿過(guò)檢測(cè)線圈的兩個(gè)線圈的磁通量相等，感應(yīng)電圈的磁通量相等，感應(yīng)電勢(shì)相互抵消，輸出為零。勢(shì)相互抵消，輸出為零。生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)用醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系一、電渦流式傳感器應(yīng)用一、電渦流式傳感器應(yīng)用5.4 電感式傳感器的應(yīng)用1 1、無(wú)損金屬材料探傷、無(wú)損金屬材料探傷 被測(cè)金屬物上有缺陷被測(cè)金屬物上有缺陷穿過(guò)兩個(gè)檢測(cè)線圈的磁穿過(guò)兩個(gè)檢測(cè)線圈的磁通量不相等，檢測(cè)線圈輸通量不相等，檢測(cè)線圈輸出感應(yīng)電勢(shì)不為零。出感應(yīng)電勢(shì)不為零。金屬物交流電流激勵(lì)線圈檢測(cè)線圈pH交變磁通sH裂紋裂紋信號(hào)干擾信號(hào)裂紋信號(hào)生物醫(yī)學(xué)傳感器及應(yīng)