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1、第二章生物电极和医学传感器,电感式传感器 热电式传感器,电感式传感器,电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量测量的一种装置。它的基本原理是将被测量的变化转换成电感量的变化。利用电感式传感器能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。这种传感器具有结构简单、分辨力及测量精度高等一系列优点，因此在工业自动化测量技术中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨力与测量范围有关。测量范围大，分辨力低，反之则高。 电感式传感器种类很多，按转换原理可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器通常指的是自感式传感器；而互感式传感器，常称
2、为差动变压器式传感器。,自感式传感器工作原理,自感式传感器工作原理 自感式电感传感器主要由线圈、铁心和衔铁三部分组成。自感式电感传感器主要用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量,如振动、厚度、压力、流量等。工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感量的变化；当传感器线圈接入测量转换电路后，电感的变化将被转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。目前常见的自感式传感器有变隙式、变截面式和螺管式三种类型。,变气隙式电感传感器,变气隙式电感传感器结构原理如图所示。根据电磁学知识，线圈电感为 N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。 由于变气隙式电感传感器的气隙通常较
3、小，可以认为气隙间磁场是均匀的，磁路是封闭的，因此可忽略磁路损失。总磁阻为 Rm0为空气气隙磁阻；Rm1为衔铁磁阻；Rm2为铁心磁阻。 因为磁阻 l为导磁材料长度；为导磁材料的导磁系数；A为导磁材料截面积。所以，总磁阻Rm应为,变隙式,变气隙式电感传感器,由于衔铁和铁心的磁阻远远小于气隙磁阻，故可忽略不计，因此磁路总磁阻Rm近似为气隙磁阻，即 电感线圈的电感量为 电感线圈结构确定后，N与0为常数，则L与A成正比，与成反比。这样，只要被测量能引起A和的变化，都可用电感传感器进行测量。 若A为常数，则电感L是气隙长度的函数，故称这种传感器为变气隙式电感传感器。由于电感量L与气隙厚度成反比，故输入输
4、出是非线性关系，输出特性如图所示。其灵敏度为,可见，越小，灵敏度越高。为提高灵敏度并保证一定的线性度，变隙式传感器只能工作在很小的区域，因而只能用于微小位移的测量。,变截面式电感传感器,变截面式电感传感器 变截面式电感传感器结构如图所示。当被测量带动衔铁移动时，磁路气隙的截面将发生变化，从而使传感器的电感发生相应变化。若保持气隙长度为常数，则 即电感L是气隙截面积的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。这种传感器输入输出是线性关系，输出特性如图所示。其灵敏度为,变截面式,由公式可以看出，灵敏度是一常数。但是，由于漏感等原因，变截面式电感传感器在A=0时仍有一定电感，所以其线性区较小。该类传
5、感器与变气隙式相比，灵敏度较低，为了提高灵敏度，需减小。这种类型的传感器由于结构的限制，被测位移量很小，在工业用得较少。,螺管式结构电感传感器,螺管式结构电感传感器 螺管式电感传感器的结构如图所示。由一只螺管线圈和一根柱形衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起螺管线圈电感量的变化。 对于长螺管线圈且衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量与衔铁插入深度成正比。 这种传感器结构简单，制作容易，但灵敏度较低，并且只有当衔铁在螺管中间部分工作时，才能获得较好的线性关系。因此，螺管式电感传感器适用于测量比较大的位移。,螺管式,差动电感
6、传感器,差动电感传感器 上述三种传感器，由于线圈中有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，而且易受电源电压、频率波动以及温度变化等外界干扰的影响，输出易产生误差，非线性也较严重，因此不适合精密测量。在实际工作中常采用差动式结构，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。 差动式电感传感器结构如图所示。两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用一根活动衔铁就构成了差动式电感传感器。当衔铁位移为零时，衔铁处于中间位置，两个线圈的电感L1=L2，Z1=Z2，u0=0。当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感一个增加，一个减少，形成差动形式，此时L1L2，Z1Z2，有一定的输出电压值。
7、衔铁移动方向不同，输出电压的极性也不同。,差动电感传感器,差动式电感传感器灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。差动式电感传感器的输出特性如图所示。 1是上图中上面单线圈电感传感器的输出特性； 2是上图下面单线圈电感传感器的输出特性； 3是差接后的输出特性。 可以看出，输出特性曲线更接近直线，差动式电感传感器的输出特性得到了改善。,自感式电感传感器的测量电路,自感式电感传感器的测量转换电路通常采用电桥电路，其作用是把电感量的变化转换为电压或电流信号，以便送入后续放大电路进行放大，然后由仪器指示或记录。,变压器交流电桥电路如图所示。相邻两工作臂Z1、Z2是差动电感传感器两个线圈的阻抗。另两臂为激励
8、变压器的二次线圈。输出电压取自A、B两点。假定D点为零电位，且传感器线圈的品质因素（Q值）比较高（即线圈直流电阻远小于其感抗），由此可推导出其输出电压为,自感式电感传感器的测量电路,变压器电桥电路的输出电压随位移方向不同而反相180，但是由于桥路电源是交流电，所以若在转换电路的输出端接上普通仪表时则无法判别输出的极性和衔铁位移的方向。此外，当衔铁处于差动电感的中间位置时，可以发现，无论怎样调节衔铁的位置，均无法使测量转换电路输出为零，总有一个很小的输出电压（零点几个毫伏，有时甚至可达数十毫伏）存在，这种衔铁处于零点附近时存在的微小误差电压称为零点残余电压。图（a）是使用交流电压表测量时的输出特
9、性曲线，图中的Ur就是零点残余电压。从图（a）中可以看到，零点残余电压Ur的存在会造成测量系统在最关键的零点附近存在一小段不灵敏区x0，一方面它限制了系统的分辨力，另一方面也造成输出电压U0与位移x之间的非线性。 产生零点残余电压的具体原因有：差动电感两个线圈的电气参数、几何尺寸或磁路参数不完全对称；存在寄生参数，如线圈间的寄生电容及线圈、引线与外壳间的分布电容；电源电压含有高次谐波；磁路的磁化曲线存在非线性。 减小零点残余电压的方法通常有：提高框架和线圈的对称性；减小电源中的谐波成分；正确选择磁路材料，同时适当减小线圈的励磁电流，使衔铁工作在磁化曲线的线性区；在线圈上并联阻容移相电路，补偿相
10、位误差；采用相敏检波电路。,自感式电感传感器的测量电路,相敏检波电路 如果输出电压在接入显示终端前经相敏检波处理，不但可以反映被测位移信号的大小，还可以反映其位移的方向。采用相敏检波电路处理后的输出特性曲线如图（b）所示。 下面是相敏检波电路图。图中，Ux为电感传感器的输出信号，UR为参考电压，相敏检波电路起信号解调作用。为使相敏检波电路能可靠地工作，必须满足以下条件：参考电压UR的频率必须与测量信号Ux相同；UR的相位与Ux的相位一致（或相差180），若有偏离，将导致灵敏度下降。,自感式电感传感器的测量电路,自感式电感传感器的测量电路,相敏检波电路的工作原理是：当激励变压器（图（a）中5、6
11、、7）的极性为7正5负的半周时，VD1、VD2导通，VD3、VD4因反向偏置而截止，这时信号流向如图（b）所示。根据电路的有关定律可得,当激励变压器（图（a）中5、6、7）的极性为5正7负的半周时，VD1、VD2截止， VD3、VD4导通，工作情况正好相反如图（c）所示。此时，Ux不再向表头输送电流，由此可见，这是半波检波。由于电容C13的滤波作用，将在表头内流过半波检波的平均电流，该电流与Ux成正比，而与参考电压Ur无关。,自感式电感传感器的测量电路,自感式电感传感器的应用,自感式电感传感器的应用很广泛，它不仅可直接用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。 压
12、力测量 图为BYM型自感式压力传感器的结构原理图，它是变气隙式差动传感器的一种。当被测压力p变化时，弹簧管1产生变形，其自由端（A端）产生位移，带动与之刚性连接的衔铁3移动，使传感器的线圈5、7的电感量发生大小相等、符号相反的变化，通过交流电桥测量电路即可将此电感量的变化转换成电压输出，其输出电压的大小与被测压力成正比。,自感式电感传感器的应用,自感式测厚仪 图所示为自感测厚仪，它采用差动结构，当被测物的厚度发生变化时，引起测杆上下移动，带动可动铁心产生位移，从而改变气隙的厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。此电感变化量经过带有相敏整流的交流电桥后，送测量仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。
13、,差动变压器及其应用,差动变压器及其应用 将被测的非电量变化转换成线圈互感变化的传感器称为互感式电感传感器，由于这种传感器是根据变压器的原理工作的，且传感器的二次线圈都用差动形式连接，故又称为差动变压器式传感器，简称差动变压器。 工作原理 互感式电感传感器本身相当于一个变压器，当一次线圈接入电源后，二次线圈就将产生感应电动势，当互感变化时，感应电动势也相应变化。差动变压器像自感传感器一样，也有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型，目前应用最广泛的是螺管式差动变压器。,差动变压器及其应用,螺管式差动变压器的结构原理如左图所示。在线框上绕有三组线圈，其中N1为输入线圈（称一次线圈）；N21和N22是
14、两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联组成差动输出形式。差动变压器的等效电路如右图所示。 当一次线圈加入激励电源后，其二次线圈会产生感应电动势U21，U22,差动变压器及其应用,差动变压器的测量电路,差动变压器的测量电路 差动变压器的输出电压是交流分量，若用交流电压表测量，既不能反映衔铁移动的极性，又不能解决零点残余电压问题，为此，常采用差动相敏检波电路和差动整流电路。 差动相敏检波电路 差动相敏检波电路形式较多，下图为全波检波图（a）及半波检波图（b）的两个实例。相敏检波电路要求参考电压R和差动变压器输出电压o的频率相同，相位相同或相反。为了保证这一点，可在线路中接入移相电路，另外要
15、使参考电压的幅值大于二极管导通电压的若干倍（因为参考电压在检波电路中起开关作用，小了将起不到此作用）。,差动变压器的测量电路,差动整流电路 差动整流电路是差动变压器常用的测量电路，把差动变压器两个输出线圈的次级电压分别整流后，以它们的差作为输出，这样次级电压上的零点残余电压就不会影响测量结果。下图中列举了几种典型电路，其中图（a）、图（b）主要用于连接低阻抗负载的场合，属于电流输出型，图（c）、图（d）则用于连接高阻抗负载的场合，属于电压输出型。图中的可调电阻是用来调整零点输出电压的。,差动变压器的应用,差动变压器式加速度传感器 在汽车的电控防抱死（ABS）制动系统中，为了获得汽车的纵向或横向
16、加速度的变化情况，经常在车身上安装加速度传感器。下图所示为差动变压器式加速度传感器的结构和工作原理图。汽车正常行驶时，差动变压器线圈内的铁心处于线圈中部，当汽车制动减速时，铁心受惯性力作用向前移动，从而使差动变压器线圈内的感应电压发生变化，以此作为输出信号，控制ABS系统的工作。由于铁心移动的惯性力与汽车的减速度或加速度大小成正比，方向相反，所以输出电压也与汽车的加速度成正比。,差动变压器的应用,差动变压器式力传感器 差动变压器与弹性元件组合还可以用来测量力和力矩。左图为差动变压器式力传感器。当力作用于传感器时，弹性元件3会发生变形，从而使衔铁2相对线圈1移动，产生正比于力的输出电压。如果将弹性元件设计成敏感圆周方向变形的结构，并配以相应的电感传感器，就能构成力矩传感器，这种传感器已成功地应用于船模运动的测试分析中。,电涡流式传感器及其应用,当把成块的金属导体置于变化的磁场中，导体内就会有感应电流产生，这种电流的流线在金属体内自行闭合，像水中的旋涡一样，所以称为电涡流，这种现象称为涡流效应。电涡流式传感器就是基
