生物醫(yī)學(xué)傳感器：電感式傳感器

第三章物理傳感器電感式傳感器自感式傳感器一、工作原理自感式電感傳感器是利用線圈自感量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。1-線圈2-鐵芯3-銜鐵自感式傳感器原理圖123線圈電感量Ψ為線圈總磁通(Wb);I為通過(guò)線圈的電流(A);N為線圈的匝數(shù)；Rm為磁路總磁阻(H);li

為各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度；μi為各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；Si

為各段導(dǎo)磁體的截面積；

δ為空氣隙的厚度；μ

0

為真空磁導(dǎo)率;S為空氣隙截面積；1-線圈2-鐵芯3-銜鐵a)變氣隙型b)變面積型c)螺管型自感式傳感器的結(jié)構(gòu)123二、變氣隙式自感傳感器通常氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻

L與δ之間是非線性關(guān)系

1-線圈2-鐵芯3-銜鐵123當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，則上式用泰勒級(jí)數(shù)展開忽略高次項(xiàng)后可得靈敏度為變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。為了減小非線形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。差動(dòng)變隙式電感傳感器

差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍，線性度也得到明顯改善。三、變面積式自感傳感器靈敏度變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸入與輸出呈線性關(guān)系。但與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。四、螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈Ⅰ；2-螺線管線圈Ⅱ；3-骨架；4-活動(dòng)鐵芯

L10，L20——分別為線圈Ⅰ、Ⅱ的初始電感值；當(dāng)鐵芯移動(dòng)（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小

可以求得線圈的靈敏度為互感式傳感器（差動(dòng)變壓器） 差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)的形式連接，故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。

變隙式變面積式

螺線管式(a)、(b)變隙式差動(dòng)變壓器；(c)、(d)螺線管式差動(dòng)變壓器；(e)、(f)變面積式差動(dòng)變壓器１-活動(dòng)銜鐵；２-導(dǎo)磁外殼；３-骨架；４-匝數(shù)為W1初級(jí)繞組；５-匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組；６-匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組一、

工作原理螺線管式差動(dòng)變壓器當(dāng)次級(jí)開路時(shí),初級(jí)線圈激勵(lì)電流根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式為次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開路，則輸出電壓有效值差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線零點(diǎn)殘余電壓，是指銜鐵位于中間位置時(shí)的差動(dòng)輸出電壓。零點(diǎn)殘余電壓的存在，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測(cè)量誤差增大。二、零點(diǎn)殘余電壓及消除方法

產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因:

（1）由于兩個(gè)二次測(cè)量線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱，使其輸出的基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位不同。

（2）由于鐵芯的B-H特性曲線的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消。減小零點(diǎn)殘余電壓措施：

（1）在設(shè)計(jì)和工藝上，力求做到磁路對(duì)稱，線圈對(duì)稱。鐵芯材料要均勻，兩線圈繞制要均勻一致。

（2）在電路上進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路三、測(cè)量電路為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。由差動(dòng)變壓器的等效電路可知，經(jīng)反相串聯(lián)后差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映其移動(dòng)方向。相敏檢波電路波形

(a）被測(cè)位移變化波形圖；(b)差動(dòng)變壓器激勵(lì)電壓波形；(c)差動(dòng)變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形相敏檢波電路原理圖1.相敏檢波電路由圖（a）、(c)、(d)可知，當(dāng)位移Δx>0時(shí)，u2與us同頻同相;

當(dāng)位移Δx<0時(shí)，u2與us同頻反相。當(dāng)Δx>0時(shí)，u2與us同頻同相，當(dāng)u2與us均為正半周時(shí)，二極管VD1、VD4截止，VD2、VD3導(dǎo)通，得到圖（b）的等效電路。根據(jù)變壓器工作原理，考慮到M、O分別為變壓器T1、T2的中心抽頭，則有n1、n2分別為變壓器T1、T2的變壓比。采用電路分析的基本方法，可求得同理，當(dāng)u2與us均為負(fù)半周時(shí)，二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導(dǎo)通，得到圖（c）的等效電路。說(shuō)明只要位移Δx>0，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓u0始終為正。當(dāng)Δx<0時(shí)，u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法，可得到負(fù)載電阻RL兩端輸出電壓u0的表達(dá)式為結(jié)論：相敏檢波電路輸出電壓u0的變化規(guī)律不僅反映了位移變化的大小，而且還反映了位移變化的方向，同時(shí)還可以消除零點(diǎn)殘余電壓的影響。2.差動(dòng)整流電路

差動(dòng)整流電路簡(jiǎn)單，不需參考電壓，對(duì)感應(yīng)和分布電容影響不敏感，經(jīng)差動(dòng)整流后變成直流輸出便于遠(yuǎn)距離輸送。全波整流電路和波形圖(a)～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabtttUSCecdeabtttecdUSC銜鐵在零位(b)eabtecdtUSCt銜鐵在零位以上差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如果傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“＋”，e點(diǎn)為“–”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“–”，e點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過(guò)電阻