检测仪表的构成和设计方法课件

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1、3 检测仪表 13.检测仪表第一节检测仪表的构成和设计方法3 检测仪表 2基本要求基本要求 掌握检测仪表的组成掌握检测仪表的组成 掌握掌握信号变换的基本形式信号变换的基本形式 信号变换的方法及相应的转换元件信号变换的方法及相应的转换元件位移位移电信号电信号电阻电阻电压电压电容电容电压电压电压电压电流电流*3 检测仪表 33.1.1检测仪表的组成和检测系统的结构形式检测仪表的组成和检测系统的结构形式敏感敏感元件元件变换变换传输传输处理处理显示显示1.1.检测仪表的组成检测仪表的组成检测仪表检测仪表就是在敏感元件的基础上配上适当的转换就是在敏感元件的基础上配上适当的转换元件或转换电路后能直接显示被

2、测量的大小或能输元件或转换电路后能直接显示被测量的大小或能输出易于被常规仪表或装置接受的信号。出易于被常规仪表或装置接受的信号。*3 检测仪表 42.结构形式结构形式 一体化型仪表一体化型仪表:敏感元件、信号变换和显示敏感元件、信号变换和显示装置等为一个整体，使用时不能分开。装置等为一个整体，使用时不能分开。如，体温计如，体温计 组合型仪表：组合型仪表：敏感元件、信号变换和显示敏感元件、信号变换和显示装置等是分开的，可以单独使用，也可以装置等是分开的，可以单独使用，也可以组合使用，构成检测系统。组合使用，构成检测系统。如，热电偶检测系统如，热电偶检测系统*3 检测仪表 53.1.2检测仪表的设

3、计方法检测仪表的设计方法信号变换按结构形式来分主要有四类：信号变换按结构形式来分主要有四类：简单直接式变换简单直接式变换 差动式变换差动式变换 参比式变换参比式变换 平衡（反馈）式变换平衡（反馈）式变换。*3 检测仪表 61.简单直接式变换简单直接式变换（1）结构形式）结构形式对敏感元件的要求：对敏感元件的要求：将被测量转换成电量将被测量转换成电量 如，热电偶、光电池。如，热电偶、光电池。如，热敏电阻、气敏电阻如，热敏电阻、气敏电阻*3 检测仪表 7 如，粘贴式应变压力传感器。如，粘贴式应变压力传感器。R1R2F转换电路转换电路*3 检测仪表 8在参数检测中，常用到的中间物理量主在参数检测中，

4、常用到的中间物理量主要有位移、光量和热量等要有位移、光量和热量等相应的转换元件有应变片、电感、电容、相应的转换元件有应变片、电感、电容、霍尔元件、光电器件和热敏元件等霍尔元件、光电器件和热敏元件等中间物理量中间物理量 被被 测测 量量转转 换换 元元 件件位位 移移压力、温度、流速、力、压力、温度、流速、力、加速度、扭矩等加速度、扭矩等应变片、电感、应变片、电感、电容、霍尔元件电容、霍尔元件光光 量量气体成分、位移、浓度气体成分、位移、浓度等等光电器件光电器件热热 量量温度、流速等温度、流速等热电偶、热敏电阻热电偶、热敏电阻*3 检测仪表 9（2）转换电路的信息能量传递）转换电路的信息能量传递

5、 检测元件根据是否需要外加能源分为两类：有检测元件根据是否需要外加能源分为两类：有源的和无源的源的和无源的*3 检测仪表 10有源检测元件与转换电路有源检测元件与转换电路KEgggKEiLiiLiLLiLPaaPRRRRRRERRREP22222)1()()(RiRLEg何时取最大值何时取最大值KELLigggPPRRadad4110检测电路检测电路转换电路转换电路有效功率信息能量传递效率较低信息能量传递效率较低*3 检测仪表 11有源检测元件与转换电路有源检测元件与转换电路RiRLE检测电路检测电路转换电路转换电路iLLLRRERu有效电压有效电压当负载电阻无穷大时，电压灵敏度最高当负载电阻

6、无穷大时，电压灵敏度最高*3 检测仪表 12无源检测元件与转换电路无源检测元件与转换电路ZPZLEP被测参数被测参数电阻、电容、电感电阻、电容、电感阻抗阻抗电压、电流电压、电流*3 检测仪表 13无源检测元件与转换电路无源检测元件与转换电路KEpppKEpLPPLPLPLPLPaPaRRRRERRREPP2)1(2)()(3202202RPRLEP有功功率增量有功功率增量1481.022/100pmpLPpppRRadad比有源检测元件的信息能量传递效率还低比有源检测元件的信息能量传递效率还低p何时取最大值何时取最大值提高负载上有功功率的措施：提高负载上有功功率的措施：电阻匹配、提高电阻电阻匹

7、配、提高电阻相对变化量、提高短路功率。相对变化量、提高短路功率。*3 检测仪表 14电桥转换电路及等效电路电桥转换电路及等效电路RTHRLETHAC43432121TH434212RRRRRRRRRERRRRRRETH等效电阻：）（等效电势：AR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBD*3 检测仪表 15电桥转换电路及等效电路电桥转换电路及等效电路RTHRLETHACAR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBD何时转换电路何时转换电路RL上获得的有功功率最大？上获得的有功功率最大？RL的电压灵敏度何时最大？的电压灵敏度何时最大？*3 检测仪表 16（3）简单直接式变换式仪表的特点）

8、简单直接式变换式仪表的特点 准确度低准确度低 线性度差线性度差 能量传递效率低能量传递效率低 结构简短，工作可靠结构简短，工作可靠*3 检测仪表 172.差动式变换差动式变换 用两个性能完全相同的转换元件，感受敏用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同但沿反方向变化的物理量（常见的是相同但沿反方向变化的物理量（常见的是电路参数量）。电路参数量）。差动式结构提高了检测仪表（系统）的灵差动式结构提高了检测仪表（系统）的灵敏度和线性度，减小或消除了环境等因素敏度和线性度，减小或消除了环境等因素的影响。的影响。差动变换形式差动变换

9、形式*3 检测仪表 18 差动式变压器差动式变压器 差动式电容器差动式电容器图图1图图2*3 检测仪表 19差动式变换的特性分析差动式变换的特性分析有效输出信号比简单直接变换式提高一倍有效输出信号比简单直接变换式提高一倍 特点特点 不能克服敏感元件受环境的影响不能克服敏感元件受环境的影响 灵敏度较高灵敏度较高 线性度较高线性度较高*3 检测仪表 203.参比式变换参比式变换 参比式变换也称参比式变换也称补偿式变换补偿式变换。采用这种变换的目的是为了消除条件变化对敏采用这种变换的目的是为了消除条件变化对敏感元件的影响感元件的影响 参比式变换采用两个性能完全相同的检测元件，参比式变换采用两个性能完

10、全相同的检测元件，其中一个检测元件既感受敏感元件的输出，又其中一个检测元件既感受敏感元件的输出，又感受环境条件量，另一个只感受环境条件量。感受环境条件量，另一个只感受环境条件量。举例举例结构形式结构形式*3 检测仪表 21R4R3USC 测量应变时，测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面的表面，图中，图中R1称为称为工作应变片工作应变片。另一片贴在与被测试另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上件材料相同的补偿块上，图中，图中R2，称为，称为补偿应变片补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生

11、变形。补偿应变片粘贴示意图补偿应变片粘贴示意图R1R2工作原理：工作原理：桥路相临两臂桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥增加相同电阻，对电桥输出无影响。输出无影响。*3 检测仪表 22R4R3USC如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由桥臂电阻和电源电压决定的常数。324143213241RRRRARRRRRRRRUUESC由上式可知，当由上式可知，当R3、R4为为常数时，常数时，Rl和和R2对输出电对输出电压的作用方向相反。压的作用方向相反。*3 检测仪表 23当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R1和

12、和R2处于同一温度场，处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中：可以选择上式中：可以选择R1=R2=R及及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若当温度升高或降低时，若R1t=R2t，由上式可知电，由上式可知电桥的输出电压为零，即桥的输出电压为零，即03241RRRRAUSC322411RRRRRRAUttSCRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA=可见可见,输出电压输出电压USC与温度无关。与温度无关。*3 检测仪表 24当工作应变片感受应变时，只会引起电阻当工作应变片感受应变时，只会引起电阻R R1 1发生

13、变发生变化，化，R R2 2不承受应变。电桥将产生相应输出电压：不承受应变。电桥将产生相应输出电压：由上式可知，电桥输出电压只与应变由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与有关，与温度无关。温度无关。RKRARRRRKRRRAUttSC3224111*3 检测仪表 25参比式变换的特性分析参比式变换的特性分析 特点特点 能够克服环境变化引起的误差能够克服环境变化引起的误差 不能克服非线性不能克服非线性 两个检测元件的性能要求完全一致，否则会两个检测元件的性能要求完全一致，否则会引起附加误差引起附加误差*3 检测仪表 264.平衡（反馈）式变换平衡（反馈）式变换（1）结构形式）结构形式 平衡式变

14、换也称反馈式变换，是指信号变换环节平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变换环节（包括转换元件和转换电路）为闭环式结构。（包括转换元件和转换电路）为闭环式结构。*3 检测仪表 27（2）有差随动变换）有差随动变换（3）无差随动变换）无差随动变换*3 检测仪表 28 炉温自动记录仪炉温自动记录仪无差随动变换无差随动变换*3 检测仪表 29（4）平衡式变换的特性分析）平衡式变换的特性分析 有差随动式变换有差随动式变换*3 检测仪表 30 无差随动式变换无差随动式变换*3 检测仪表 313.1.3检测仪表中常见的信号变换方法检测仪表中常见的信号变换方法 1.位移与电信号的变换位移与电信号的变换温度测量中

15、温度测量中 双金属片双金属片 t x x压力测量中压力测量中 弹性元件弹性元件 p p x x物位测量中物位测量中 浮筒浮筒 H H（f f）x x流量测量中流量测量中 转子流量计转子流量计 q q x x*3 检测仪表 32典型的位移典型的位移电信号转换元件电信号转换元件（1）霍尔元件）霍尔元件（2）电容器）电容器（3）差动变压器）差动变压器 *3 检测仪表 33（2）电容器：）电容器：电容式压力（差压）传感器电容式压力（差压）传感器实质：实质：位移传感器，位移传感器，它利用弹性膜片在压它利用弹性膜片在压力下变形所产生的位力下变形所产生的位移来改变传感器的电移来改变传感器的电容（此时膜片作为

16、电容（此时膜片作为电容器的一个电极）。容器的一个电极）。*3 检测仪表 34*3 检测仪表 35 电容等效电路电容等效电路*3 检测仪表 36 极板间的电容关系极板间的电容关系AOHLHLOAAOHAOHOAAOLALOCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC1111110,0CCCppppLHLH 电电容容等等效效电电路路*3 检测仪表 37brobrobroroddRInRrdRInRrdrdrCRdrdrdC00200200002)2(2222低压侧电容的纵断面分析低压侧电容的纵断面分析RrRRRRRRRr2)2()(2222 电容与压力电容与压力pH、pL的关系的关系*3 检测仪表

17、 38222022220224)(4)(422baaInppTraradTppraTpprdrCxrdrdCLHrobLHrobLHroAroA)(422raTppxLH 挠度挠度低压侧电容的纵断面分析低压侧电容的纵断面分析 电容与压力电容与压力pH、pL的关系的关系*3 检测仪表 39pKppKbaaInppddInTRCCLHLHbA1122200)()(2 电容与压力的关系电容与压力的关系低压侧电容的纵断面分析低压侧电容的纵断面分析 电容与压力电容与压力pH、pL的关系的关系正比关系正比关系pKCCCCCCHLHLAO1*3 检测仪表 40 此电容量的变化经此电容量的变化经过适当的变换器

18、电路，过适当的变换器电路，可以转换成反映被测可以转换成反映被测差压的标准电信号输差压的标准电信号输出。出。变送器变送器 这种传感器的结构这种传感器的结构坚实，灵敏度高，过坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，载能力大；精度高，其精确度可达其精确度可达0.250.05；可以；可以测量压力和差压。测量压力和差压。*3 检测仪表 41该系列产品采用世界上最成熟的电容传该系列产品采用世界上最成熟的电容传感器制造技术，通过专用的微处理器数感器制造技术，通过专用的微处理器数字电路及通讯模块，将被测介质的压力字电路及通讯模块，将被测介质的压力信号转换成信号转换成4-20mADC4-20mADC模拟信号。模拟信

19、号。过程压力通过两侧或一侧隔离膜片，过程压力通过两侧或一侧隔离膜片，灌充液作用在敏感元件张紧的测量膜片上灌充液作用在敏感元件张紧的测量膜片上,测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组成一个电容器组成一个电容器,在无压力通入或两侧压在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置力均等时测量膜片处于中间位置,两个电两个电容器的电容量相等容器的电容量相等.当两侧压力不一致时当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移致使测量膜片产生位移,其位移量和压力其位移量和压力差成正比差成正比,这种位移转变为电容极板上形这种位移转变为电容极板上形成的差动电容成的差动电容.由电子线路把

20、差动电容转由电子线路把差动电容转换成换成4-20mADC4-20mADC的电流信号的电流信号.*3 检测仪表 42(3)差动变压器差动变压器-互感式传感器互感式传感器 差动变压器是利用互感原差动变压器是利用互感原理把位移转换成电信号的理把位移转换成电信号的一种常用的转换元件。一种常用的转换元件。差动变压器本身是一个变差动变压器本身是一个变压器，初级线圈输入交流压器，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电电压，次级线圈感应出电信号，当互感受外界影响信号，当互感受外界影响变化时，其感应电压也随变化时，其感应电压也随之起相应的变化，由于它之起相应的变化，由于它的的次级线圈接成差动的形次级线圈接成差动

21、的形式式，故称为差动变压器。，故称为差动变压器。*3 检测仪表 43结构结构1abcdcdVV绕线管绕线管线圈组合线圈组合衔铁衔铁+-+-*3 检测仪表 44(e)(e)、(f)(f)变面积式差动变压器变面积式差动变压器(a)(a)、(b)(b)变间隙式差动变压器变间隙式差动变压器(c)(c)、(d)(d)螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器结构结构2*3 检测仪表 45工作原理工作原理 差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W W1 1（也称励磁线圈）和一个次级线圈（也称励磁线圈）和一个次级线圈W W2 2（也叫输出线（也叫输出线圈）。上下两个初级线

22、圈串联后接交流励磁电源电压圈）。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压U Usrsr，两个次级线圈则按电势反相串联。，两个次级线圈则按电势反相串联。1 Usr(a)22 1 UscUsr (b)Usc*3 检测仪表 46*3 检测仪表 47*3 检测仪表 48*3 检测仪表 49l2S2S1匝数为匝数为W的的线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁Usr（4 4）其他转换元件或方法）其他转换元件或方法利用线圈自感原理把位移转换成电感量的变化利用线圈自感原理把位移转换成电感量的变化 电感器电感器-自感式传感器自感式传感器*3 检测仪表 50 工作原理：工作原理：传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导传感

23、器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，根据定义，线圈的电感为致线圈的电感值发生变化，根据定义，线圈的电感为 式中：式中：W:线圈的匝数线圈的匝数 I:线圈中的电流线圈中的电流 ：磁路磁通：磁路磁通 RM磁阻，它包括磁阻，它包括铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻，铁磁材料各段磁阻之和，铁芯一定时，其值一定；铁磁材料各段磁阻之和，铁芯一定时，其值一定；li 各段铁芯长度；各段铁芯长度；m mi 各段铁芯的磁导率；各段铁芯的磁导率；Si 各段铁芯的截面积；各段铁芯的截面积；R 空气隙的磁阻，空气隙的磁阻，R 22/m m0 0S。S:气隙磁通截面积气隙磁通

24、截面积M2RWLmRSlRiiiMiiiSlm衔 铁线 圈铁 芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr.所谓磁阻，它与电阻的含义相仿，磁阻是表示磁路对所谓磁阻，它与电阻的含义相仿，磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用，以符号磁通所起的阻碍作用，以符号Rm表示。表示。MRWIIWL*3 检测仪表 51 即可得电感为即可得电感为 因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计，这时有时可忽略不计，这时有 当线圈及铁芯一定时，当线圈及铁芯一定时，W W 为常数，如果改变为常数，如果改变或或S S 时，时，L L值就会引起相应的变化值就会引起相应的

25、变化电感传感器的工作原理电感传感器的工作原理。衔铁线圈铁芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr.SSlWLiii022mmm202SWL*3 检测仪表 52 由于改变由于改变和和S S都是使气隙磁阻变化，从而使电都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感变磁阻式传感器器。电感电感式传感器分为式传感器分为:变气隙厚度变气隙厚度的传感器的传感器 变气隙面积变气隙面积的传感器的传感器 使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器式电感传感器衔铁线圈铁芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr.m202SWL*3 检测仪表

26、53m202SWL 可变可变磁阻式磁阻式变面积型变面积型传感器传感器*3 检测仪表 54m202SWL 可变可变磁阻式磁阻式变气隙型变气隙型传感器传感器*3 检测仪表 55（4 4）其他转换元件或方法）其他转换元件或方法光学法光学法 首先将位移量转换成光强的变化，进一步首先将位移量转换成光强的变化，进一步用光敏元件把光信号转换成电信号。用光敏元件把光信号转换成电信号。反射法反射法透射法透射法*3 检测仪表 562.电阻与电压电阻与电压（或电流）（或电流）的变换的变换一是外加电源，并和被测电阻一起构成回路，测一是外加电源，并和被测电阻一起构成回路，测量回路中的电流或某一固定电阻上的压降，这是量回

27、路中的电流或某一固定电阻上的压降，这是典型的典型的串联式转换电路串联式转换电路；如下图：；如下图：另一种方法是利用电桥进行转换另一种方法是利用电桥进行转换*RPRLEP3 检测仪表 57所以，所以，直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件：R R1 1R R4 4=R R2 2R R3 3 或或相对相对两臂电阻的两臂电阻的乘积相等乘积相等,或或相邻相邻两臂电阻的比值应两臂电阻的比值应相等。相等。AR1I2ULRLBI1UER3R2R443214132EE434E212LRRRRRRRRUURRRURRRU电桥以直流电源供电，故电桥以直流电源供电，故称为称为直流电桥直流电桥。0LU初始平衡时：4321R

28、RRR(1)不平衡电桥的电压灵敏度不平衡电桥的电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度:单位电阻相对变化量引起电桥输出电压单位电阻相对变化量引起电桥输出电压的大小。的大小。*3 检测仪表 58*3 检测仪表 59等臂电桥、单臂工作等臂电桥、单臂工作AR1I2ULRLBI1UER3R2R4变化：产生承受应变后，11RR242222EE11E11E43211144132E4321141132LUURRRRURRRRRURRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRU初始状态时，初始状态时，R R1=1=R R2=2=R R3=3=R R4=4=R R，称为等臂电桥。，称为等臂电桥。44EELURRUU电压灵敏

29、度电压灵敏度近似线性关系近似线性关系全等臂四分之一电桥全等臂四分之一电桥*3 检测仪表 60 提高灵敏度的措施：提高灵敏度的措施：电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高。电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高。但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，温度但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，温度误差增大。一般电源电压取误差增大。一般电源电压取3 36V6V为宜。为宜。44EELURRUU*3 检测仪表 61输出电压非线性误差输出电压非线性误差 上面在讨论电桥的输出特性时，应用了近似条件，上面在讨论电桥的输出特性时，应用了近似条件，才得出线性关系。才得出线性关系。全等臂四分之一电桥全等臂四

30、分之一电桥输出电压的精确值为输出电压的精确值为 相对非线性误差相对非线性误差为：为：24ELUU211214241EELLLUUUUU4ELUU*3 检测仪表 62按幂级数展开按幂级数展开211121 3281412112121当当=10%时时,得到非线性误差得到非线性误差=5%*3 检测仪表 63第一对称电桥第一对称电桥、单臂工作、单臂工作R1=R2，R3=R4，则称为第一对称电桥。，则称为第一对称电桥。设设R1有一增量有一增量R，电桥输出电压为，电桥输出电压为输出电压与应变成正比。输出电压与应变成正比。AR1I2ULRLBI1UER3R2R4242222EE1111E11414E43211

31、144132E4321141132LUURRRRURRRRRURRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRU第一对称电桥的输出电第一对称电桥的输出电压与等臂电桥相同，非压与等臂电桥相同，非线性误差相同。线性误差相同。44EELURRUU电压灵敏度电压灵敏度*3 检测仪表 64 一般消除非线性误差的方法是：一般消除非线性误差的方法是：采用差动电桥采用差动电桥 如果两个应变片同时参与测量，则称为如果两个应变片同时参与测量，则称为半桥半桥测量测量。半桥差动半桥差动 四个桥臂都由应变片组成，且都产生适当的四个桥臂都由应变片组成，且都产生适当的电阻变化，即为电阻变化，即为全桥测量全桥测量。全全桥差动桥差

32、动采用采用差动电桥差动电桥是消除非线性误差的有效措施。是消除非线性误差的有效措施。*3 检测仪表 65等臂电桥、双臂工作等臂电桥、双臂工作半桥差动半桥差动v相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少将两个工作应变片接入电桥的相邻臂，并使它们一将两个工作应变片接入电桥的相邻臂，并使它们一个受拉，另一个受压，称为个受拉，另一个受压，称为半桥差动电路半桥差动电路.R1+R1R2-R2R3R4ULUE*3 检测仪表 66 电桥输出电压为电桥输出电压为 设平衡时设平衡时R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4=R R，R R1 1=R R2 2=R R,带入上式化简带

33、入上式化简则则 结论：结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。度比单臂电桥提高了一倍。E434221122LURRRRRRRRRURRUU2EL线性关系线性关系电压灵敏度电压灵敏度*3 检测仪表 67等臂电桥、四臂工作等臂电桥、四臂工作全桥差动全桥差动v四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反R1+R1R2-R2ULUE R3-R3R4+R4*3 检测仪表 68设电桥设电桥各臂均有相应的电阻变化量大小为各臂均有相应的电阻变化量大小为R1、R2、R3、R4时时R1=R2=R3=R4=R,此时电桥输出可写为此时电桥输出可

34、写为 RRURRRRRRUUEEL22443344221122RRRRRRRRRRRRUUEL线性关系线性关系结论：结论：全桥电路电压灵敏度可提高为单臂桥的全桥电路电压灵敏度可提高为单臂桥的4倍，倍，并且消除了非线性误差。并且消除了非线性误差。电压灵敏度电压灵敏度*3 检测仪表 69*3 检测仪表 70举例举例1：一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上下两面各一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上下两面各贴两片相同的电阻应变片（贴两片相同的电阻应变片（K=2），如图所示。已知），如图所示。已知L=100mm、b=11mm、t=3mm，E=2*104N/mm2。现将四。现将四个应变片

35、接入直流电桥中，电桥电源电压个应变片接入直流电桥中，电桥电源电压U=6V。已知应变。已知应变计算公式为计算公式为 ，当力，当力F=0.5Kg时，求：时，求：FEbtl26RR（1 1）根据应变片的位置，画出相应的测量桥路原理图）根据应变片的位置，画出相应的测量桥路原理图（要求输出电压灵敏度最高）；（要求输出电压灵敏度最高）；（2 2）求各个应变片的应变）求各个应变片的应变（3 3）求电阻的相对变化量）求电阻的相对变化量（4 4）若电桥供电电压）若电桥供电电压U=6VU=6V，求桥路的输出电压。求桥路的输出电压。F l t F b *3 检测仪表 71（1）测量桥路原理图）测量桥路原理图R1+R

36、1R2-R2ULUE R4-R4R3+R3*3 检测仪表 72解：解：（2）应变绝对值相等：）应变绝对值相等：FEbtl242316（3）电阻相对变化量：）电阻相对变化量：KRRRRRRRRRR4231（4）等臂全桥电路的输出电压：）等臂全桥电路的输出电压：mVFEbtlUKUKRRUU8.171023111008.95.066264220*3 检测仪表 73 采用四片相同的金属丝应变片（采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其贴在实心圆），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图所示，力柱形测力弹性元件上。如图所示，力F=1000Kg，圆柱断，圆柱断面半径面半径r=1cm，弹性模量，弹性模量

37、E=2107 N/cm2，泊松比，泊松比=0.3。（1）根据应变片在圆柱上的粘贴位置，画出相应的测量）根据应变片在圆柱上的粘贴位置，画出相应的测量桥路原理图（要求输出电压灵敏度最高）；桥路原理图（要求输出电压灵敏度最高）；（2）求各个应变片的应变及电阻相对变化量。）求各个应变片的应变及电阻相对变化量。（3）若电桥供电电压）若电桥供电电压U=6V，求桥路输出电压。，求桥路输出电压。提示：应力与应变的关系为：提示：应力与应变的关系为：电阻电阻R1、R2的应变关系为的应变关系为2 2=-1 1举例举例2：E，*3 检测仪表 74(1)R1、R3沿轴向在力沿轴向在力F作用下产生正应变，作用下产生正应变

38、，R2、R4沿圆周方向帖则产生负应变。从而组成全桥测沿圆周方向帖则产生负应变。从而组成全桥测量电路可以提高输出电压灵敏度。量电路可以提高输出电压灵敏度。*3 检测仪表 75（2）各个应变片的应变及电阻的相对变化量。）各个应变片的应变及电阻的相对变化量。442442244133114442472311094.01047.021012.31056.12471047.01056.13.01561056.110218.91000mmmkRRRRkRRRRSEFSEF*3 检测仪表 76(3)桥路的输出电压桥路的输出电压mVURRRRURRRRRRRRUO22.16)1094.01012.3(21)(2

39、1)(4144221144332211*3 检测仪表 77 电流灵敏度：电流灵敏度：单位被测电阻变化时所获得的输出单位被测电阻变化时所获得的输出电流值。电流值。(2)不平衡电桥的电流灵敏度不平衡电桥的电流灵敏度RTHRLETHACTH0LTH0THLTH0RR RRRRITHTHEE电流：AR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBD(3)不平衡电桥的特性分析不平衡电桥的特性分析*3 检测仪表 78 电桥的电源电压和功率电桥的电源电压和功率 电桥的工作方式电桥的工作方式 电桥的阻值电桥的阻值(4)不平衡电桥的设计不平衡电桥的设计*3 检测仪表 79电桥的电源电压和功率电桥的电源电压和功率

40、从敏感元件的允许耗散功率从敏感元件的允许耗散功率PTg考虑电源电压的大小。考虑电源电压的大小。AR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBDTgTTPRPRERRREP11122122)(3012301124322122RRERRPREPRRERREPEEE）（第一对称、单臂工作等臂电桥电源电压电源电压电源功率电源功率*3 检测仪表 80电桥的工作方式电桥的工作方式 提高灵敏度、减小非线性提高灵敏度、减小非线性：双臂、四臂电桥：双臂、四臂电桥 等臂、单臂工作与第一对称、单臂工作电桥的选择：等臂、单臂工作与第一对称、单臂工作电桥的选择：电源的功耗应尽量小电源的功耗应尽量小功耗减小。时，第一对

41、称电桥电源当时，电源功耗相等；当）（第一对称、单臂工作等臂电桥130130301230112432212RRRR2RRERRPREPRRERREPEEE*3 检测仪表 81电流输出时，输出电流尽量大，提高灵明度电流输出时，输出电流尽量大，提高灵明度等臂电桥、单臂工作等臂电桥、单臂工作第一对称、单臂工作第一对称、单臂工作1030100201/)24()34()58(RRmmREIREI但是非线性误差增大。得的功率增加，即采用第一对称电桥获时当,II,1m2010所以，需要综合考虑非线性、灵敏度和电源功所以，需要综合考虑非线性、灵敏度和电源功耗等多个因素来确定电桥的工作方式。耗等多个因素来确定电桥

42、的工作方式。*3 检测仪表 82电桥的电阻电桥的电阻a）电压输出：）电压输出：根据减小电源功耗的原则选择电阻根据减小电源功耗的原则选择电阻b）电流输出：）电流输出：R10和负载电阻和负载电阻RL已知，已知，负载电阻和电桥电阻需负载电阻和电桥电阻需达到最佳匹配。达到最佳匹配。负载电阻不确定时，负载电阻不确定时，在电源功耗允许的条件下，在电源功耗允许的条件下，选取小的选取小的R30，使输出电流最大；同时要满足负载，使输出电流最大；同时要满足负载电阻和电桥电阻达到最佳匹配。电阻和电桥电阻达到最佳匹配。2230100RRRRTHL*3 检测仪表 83(6)(6)交流电桥交流电桥 电桥平衡时的条件为电桥

43、平衡时的条件为 Z Z1 1Z Z4 4=Z Z2 2Z Z3 3 43213241433211LZZZZZZZZUZZZUZZZUU电桥以交流电源供电电桥以交流电源供电*3 检测仪表 84*3 检测仪表 853.电容电压的变换电容电压的变换（1）桥式电路）桥式电路(调幅电路）调幅电路）l单臂接法单臂接法 平衡条件平衡条件当当Cx发生变化时，输出电压发生变化时，输出电压321CCCCxouCKuo*3 检测仪表 86l 差动差动接法接法 将将电容式传感器电容式传感器接入交流电桥两个相邻臂，另接入交流电桥两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个臂可以是电阻或电容或电感，也可

44、是变压器的两个二次线圈。两个二次线圈。变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻小，因变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻小，因此目前较多采用。此目前较多采用。调幅电路调幅电路*3 检测仪表 87 当交流电桥处于平衡位置时，电容传感器起始电当交流电桥处于平衡位置时，电容传感器起始电容量容量C C1 1与与C C2 2相等，两者容抗相等（忽略电容器内阻）。相等，两者容抗相等（忽略电容器内阻）。电容传感器工作在平衡位置附近，有电容变化量电容传感器工作在平衡位置附近，有电容变化量输出时输出时C C1 1C C2 2，则，则Z Z1 1Z Z2 2，则，则 差动式差动式21ZZ 21j1j1CCddACx1dd

45、ACx2*3 检测仪表 88次级线圈感应电动势为次级线圈感应电动势为E，则传感器空载时输出电压为则传感器空载时输出电压为 工作时工作时 211222121scZZZZEEZZZEEUAddCZxjj111AddCZxjj122EddECCECCCCUxxxx02121sc线性关系线性关系*3 检测仪表 89 2）输出电压除与被测量变化）输出电压除与被测量变化d有关外，还与电桥电源有关外，还与电桥电源电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。3）因电桥输出电压幅值小，输出阻抗高（）因电桥输出电压幅值小，输出阻抗高（MW W级），级），其后必须接高输入阻抗

46、放大器才能工作。其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。EddECCCCUxxxx2121sc1）输出电压）输出电压Usc的幅值与被测量成正比的幅值与被测量成正比调幅电路。调幅电路。*3 检测仪表 90变压器电桥变压器电桥*3 检测仪表 91（2 2）差动脉冲宽度调制线路）差动脉冲宽度调制线路工作原理：工作原理：传传感器的电容器感器的电容器充放电时，电充放电时，电容量的变化使容量的变化使电路输出的脉电路输出的脉冲宽度随之变冲宽度随之变化，经低通滤化，经低通滤波器得到与被波器得到与被测量变化相应测量变化相应的直流信号。的直流信号。比较器的输出控制双稳态触发器的状态。双稳态触发器的输出比较器的输出控制

47、双稳态触发器的状态。双稳态触发器的输出提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。R 双稳双稳 Q态触态触S 发器发器 QA1A2USCUPC1C2D1R1R2D2ABMN+U101010*3 检测仪表 92UAU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUp0tT1UNUp0tT2UMUp0tT1UNUp0tT2时序图时序图设设C C1 1CC2 2,C,C1 1充电速度慢于充电速度慢于C C2 2充电速度，充电速度，U UA A持续时间长于持续时间长于U UB B的持续时间。的持续时间。所以通过检测

48、所以通过检测输出脉冲的宽度，就可以反映电容量的变化。输出脉冲的宽度，就可以反映电容量的变化。*3 检测仪表 93 C C1 1与与C C2 2的变化由被测量变化引起。经的变化由被测量变化引起。经A A与与B B 两两端输出电压端输出电压U UABAB，再经低通滤波器得到一个由被测量，再经低通滤波器得到一个由被测量变化决定的直流电压变化决定的直流电压U Uscsc，表示为，表示为 设设R R1 1=R R2 2=R R，则有，则有 结论：结论：输出电压与传感器电容变化量的代数和（两输出电压与传感器电容变化量的代数和（两电容的差值）成正比（电容的差值）成正比（C C1 1与与C C2 2为差动式）

49、。为差动式）。1212112121211BAscUTTTTUTTTUTTTUUU111CRT222CRT12121scUCCCCU*3 检测仪表 94 设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为 d1、d2和和S1、S2，将平行板电容公式代入上式，对，将平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型差动式变极距型和和变面积型变面积型电容式传感器可得电容式传感器可得 特性：特性：差动脉冲调宽电路能适用于差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容任何差动式电容式传感器式传感器，并具有理论上的，并具有理论上的线性特性线性特性。这是十分可贵的。这是十分可贵的性质。性质。11221121

50、12USSSSUUddddUscsc；12121scUCCCCU*3 检测仪表 95v无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。v差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；相敏检波与解调等；对元件无线性要求；v经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。矩形波

51、的纯度要求也不高。说明：说明：*3 检测仪表 96C+v vIPv vINv vO同相同相输入端输入端反相反相输入端输入端i idv vd两个重要法则：两个重要法则：1、虚短：虚短：两输入端的电位两输入端的电位差为零。差为零。即：即：v vd =v vIP-v vIN=02、虚断：虚断：流入两输入端流入两输入端的电流为零。的电流为零。即：即：i id=0 i id=0i iF=i i1 v vP=v vN=0 v vO=-i iFRFC+v vIv vOR1RFi i1i iFv vPv vNi idv vd运算放大器式电路运算放大器式电路知识回顾：知识回顾：*3 检测仪表 97 (3)运算放

52、大器式电路运算放大器式电路 将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成反相放大器。路接固定电容。构成反相放大器。由运算放大器工作原理可知，在开环放大倍数由运算放大器工作原理可知，在开环放大倍数为为A和输入阻抗较大的情况下，有和输入阻抗较大的情况下，有 若把若把Cx=A/dx代入代入负号表示输出电压负号表示输出电压usc与电源电压与电源电压u相位相反。相位相反。C0 -A 电容传 感器 Cx u usc uCCuCCux00 xsc/j1/j1uAdCux0sc*3 检测仪表 98突出特点：突出特点：v克服了变极距型电容传感器的非线性。克服了变

53、极距型电容传感器的非线性。从原理上保从原理上保障了变极距型电容式传感器的线性。障了变极距型电容式传感器的线性。vUSC与与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压源、有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容高质量电容C C0v特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。uAdCux0scddCddACCxx11(4)谐振电路（自学）谐振电路（自学）*3 检测仪表 994.电压电流转换电压电流转换（1）电压）电压电流的转换电流的转换 由图可得由图可得 输出电流与输出电流与 输入电压之输入电压之 间的关系为：间的关系为：iiuuKKI10*3 检测仪表 1

54、00 1)最常见的电压最常见的电压电流转换电路电流转换电路 当输入电当输入电 压为压为 时时 输出电流输出电流 为：为：iu40RuIi*3 检测仪表 101-2)另一个电压另一个电压电流转换电路电流转换电路7707RuuRuIziR*R3R1UiAR2R4RL R7UzI0UBUU1U2R1=R2=R3=R4R4 RL3 检测仪表 102（2）电流）电流电压的转换电压的转换 1）输出电压与）输出电压与 输入电流之输入电流之 间的关系为：间的关系为：ifoIRuRfRiIAuo*3 检测仪表 103（1）电流）电流电压的转换电压的转换 2）输出电压与）输出电压与 输入电流之输入电流之 间的关系为：间的关系为：ioIRRRu)1(120R0iIAuoR2R1*3 检测仪表 104 检测仪表的组成检测仪表的组成 信号变换的基本形式和信号变换的方法及相应信号变换的基本形式和信号变换的方法及相应的转换元件的转换元件位移位移电信号电信号(利用霍尔元件、电容器、差动变利用霍尔元件、电容器、差动变压器、电感等压器、电感等)电阻电阻电压（利用电桥）电压（利用电桥）电容电容电压（电桥、脉宽调制电路、运放）电压（电桥、脉宽调制电路、运放）电压电压电流（运放）电流（运放）电流电流电压（运放）电压（运放）本节小结本节小结*3 检测仪表 105作业作业 教材教材P339：1、2、5*