生物医学测量与传感器7课件.ppt

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；μ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μ0为常数，则L与A成正比，与δ成反比。这样，只要被测量能引起A和δ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δ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δ成反比，故输入输出是非线性关系，输出特性如图所示。其灵敏度为 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δ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 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。 差动电感传感器 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L1≠L2，Z1≠Z2，有一定的输出电压值。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。 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