檢測(cè)儀表的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法

1、1,3.檢測(cè)儀表,第一節(jié)檢測(cè)儀表的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法,2,基本要求,掌握檢測(cè)儀表的組成 掌握信號(hào)變換的基本形式 信號(hào)變換的方法及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件 位移電信號(hào) 電阻電壓 電容電壓 電壓電流,3,3.1.1檢測(cè)儀表的組成和檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,1.檢測(cè)儀表的組成,檢測(cè)儀表就是在敏感元件的基礎(chǔ)上配上適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件或轉(zhuǎn)換電路后能直接顯示被測(cè)量的大小或能輸出易于被常規(guī)儀表或裝置接受的信號(hào),4,2.結(jié)構(gòu)形式,一體化型儀表:敏感元件、信號(hào)變換和顯示裝置等為一個(gè)整體，使用時(shí)不能分開。 如，體溫計(jì) 組合型儀表：敏感元件、信號(hào)變換和顯示裝置等是分開的，可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)。 如，熱電偶檢測(cè)系統(tǒng),5,

2、3.1.2檢測(cè)儀表的設(shè)計(jì)方法 信號(hào)變換按結(jié)構(gòu)形式來分主要有四類： 簡單直接式變換 差動(dòng)式變換 參比式變換 平衡（反饋）式變換,6,1.簡單直接式變換,1）結(jié)構(gòu)形式,對(duì)敏感元件的要求：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電量 如，熱電偶、光電池。 如，熱敏電阻、氣敏電阻,7,如，粘貼式應(yīng)變壓力傳感器,轉(zhuǎn)換電路,8,在參數(shù)檢測(cè)中，常用到的中間物理量主要有位移、光量和熱量等 相應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件有應(yīng)變片、電感、電容、霍爾元件、光電器件和熱敏元件等,9,2）轉(zhuǎn)換電路的信息能量傳遞 檢測(cè)元件根據(jù)是否需要外加能源分為兩類：有源的和無源的,10,有源檢測(cè)元件與轉(zhuǎn)換電路,何時(shí)取最大值,檢測(cè)電路,轉(zhuǎn)換電路,有效功率,信息能量傳遞效率較低,

3、11,有源檢測(cè)元件與轉(zhuǎn)換電路,檢測(cè)電路,轉(zhuǎn)換電路,有效電壓,當(dāng)負(fù)載電阻無窮大時(shí)，電壓靈敏度最高,12,無源檢測(cè)元件與轉(zhuǎn)換電路,被測(cè)參數(shù)電阻、電容、電感阻抗電壓、電流,13,無源檢測(cè)元件與轉(zhuǎn)換電路,有功功率增量,比有源檢測(cè)元件的信息能量傳遞效率還低,何時(shí)取最大值,提高負(fù)載上有功功率的措施：電阻匹配、提高電阻相對(duì)變化量、提高短路功率,14,電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路,15,電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路,何時(shí)轉(zhuǎn)換電路RL上獲得的有功功率最大？ RL的電壓靈敏度何時(shí)最大,16,3）簡單直接式變換式儀表的特點(diǎn),準(zhǔn)確度低 線性度差 能量傳遞效率低 結(jié)構(gòu)簡短，工作可靠,17,2.差動(dòng)式變換 用兩個(gè)性能完全相同的轉(zhuǎn)換元

4、件，感受敏感元件的輸出量，并把它轉(zhuǎn)換成兩個(gè)性質(zhì)相同但沿反方向變化的物理量（常見的是電路參數(shù)量）。 差動(dòng)式結(jié)構(gòu)提高了檢測(cè)儀表（系統(tǒng)）的靈敏度和線性度，減小或消除了環(huán)境等因素的影響,差動(dòng)變換形式,18,差動(dòng)式變壓器 差動(dòng)式電容器,圖1,圖2,19,差動(dòng)式變換的特性分析 有效輸出信號(hào)比簡單直接變換式提高一倍 特點(diǎn) 不能克服敏感元件受環(huán)境的影響 靈敏度較高 線性度較高,20,3.參比式變換 參比式變換也稱補(bǔ)償式變換。 采用這種變換的目的是為了消除條件變化對(duì)敏感元件的影響 參比式變換采用兩個(gè)性能完全相同的檢測(cè)元件，其中一個(gè)檢測(cè)元件既感受敏感元件的輸出，又感受環(huán)境條件量，另一個(gè)只感受環(huán)境條件量。 舉例,結(jié)

5、構(gòu)形式,21,測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面，圖中R1稱為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，圖中R2，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片。 在工作過程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形,工作原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對(duì)電橋輸出無影響,22,如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù),由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反,23,當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和R2處于同一溫度場(chǎng)，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即 上式中：可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，若R1t=R2t，由上

6、式可知電橋的輸出電壓為零，即,可見,輸出電壓USC與溫度無關(guān),24,當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，只會(huì)引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓,由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變有關(guān)，與溫度無關(guān),25,參比式變換的特性分析 特點(diǎn) 能夠克服環(huán)境變化引起的誤差 不能克服非線性 兩個(gè)檢測(cè)元件的性能要求完全一致，否則會(huì)引起附加誤差,26,4.平衡（反饋）式變換 （1）結(jié)構(gòu)形式 平衡式變換也稱反饋式變換，是指信號(hào)變換環(huán)節(jié)（包括轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路）為閉環(huán)式結(jié)構(gòu),27,2）有差隨動(dòng)變換 （3）無差隨動(dòng)變換,28,爐溫自動(dòng)記錄儀無差隨動(dòng)變換,29,4）平衡式變換的特性分析 有差隨動(dòng)式變換,30,無

7、差隨動(dòng)式變換,31,3.1.3檢測(cè)儀表中常見的信號(hào)變換方法 1.位移與電信號(hào)的變換 溫度測(cè)量中 雙金屬片 t x 壓力測(cè)量中 彈性元件 p x 物位測(cè)量中 浮筒 H（f） x 流量測(cè)量中 轉(zhuǎn)子流量計(jì) q x,32,典型的位移電信號(hào)轉(zhuǎn)換元件 （1）霍爾元件 （2）電容器 （3）差動(dòng)變壓器,33,2）電容器：電容式壓力（差壓）傳感器,實(shí)質(zhì)：位移傳感器，它利用彈性膜片在壓力下變形所產(chǎn)生的位移來改變傳感器的電容（此時(shí)膜片作為電容器的一個(gè)電極,34,35,電容等效電路,36,極板間的電容關(guān)系,電容等效電路,37,低壓側(cè)電容的縱斷面分析,電容與壓力pH、pL的關(guān)系,38,撓度,低壓側(cè)電容的縱斷面分析,電容

8、與壓力pH、pL的關(guān)系,39,電容與壓力的關(guān)系,低壓側(cè)電容的縱斷面分析,電容與壓力pH、pL的關(guān)系,正比關(guān)系,40,此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。變送器 這種傳感器的結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)0.250.05；可以測(cè)量壓力和差壓,41,該系列產(chǎn)品采用世界上最成熟的電容傳感器制造技術(shù)，通過專用的微處理器數(shù)字電路及通訊模塊，將被測(cè)介質(zhì)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mADC模擬信號(hào),過程壓力通過兩側(cè)或一側(cè)隔離膜片，灌充液作用在敏感元件張緊的測(cè)量膜片上,測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電容極板各組成一個(gè)電容器,在無壓力通入或兩側(cè)壓力均等時(shí)測(cè)量膜

9、片處于中間位置,兩個(gè)電容器的電容量相等.當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí),致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移,其位移量和壓力差成正比,這種位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動(dòng)電容.由電子線路把差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成4-20mADC的電流信號(hào),42,3)差動(dòng)變壓器-互感式傳感器 差動(dòng)變壓器是利用互感原理把位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種常用的轉(zhuǎn)換元件。 差動(dòng)變壓器本身是一個(gè)變壓器，初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈感應(yīng)出電信號(hào)，當(dāng)互感受外界影響變化時(shí)，其感應(yīng)電壓也隨之起相應(yīng)的變化，由于它的次級(jí)線圈接成差動(dòng)的形式，故稱為差動(dòng)變壓器,43,結(jié)構(gòu)1,繞線管,線圈組合,銜鐵,44,e)、(f) 變面積式差動(dòng)變壓器,a)、(b) 變間隙式差動(dòng)變壓器,c)、(d

10、) 螺線管式差動(dòng)變壓器,結(jié)構(gòu)2,45,工作原理 差動(dòng)變壓器上下兩只鐵芯上均有一個(gè)初級(jí)線圈W1（也稱勵(lì)磁線圈）和一個(gè)次級(jí)線圈W2（也叫輸出線圈）。上下兩個(gè)初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源電壓Usr，兩個(gè)次級(jí)線圈則按電勢(shì)反相串聯(lián),46,47,48,e=e1-e2,49,匝數(shù)為W的線圈,鐵芯,銜鐵,4）其他轉(zhuǎn)換元件或方法,利用線圈自感原理把位移轉(zhuǎn)換成電感量的變化,電感器-自感式傳感器,50,工作原理：傳感器測(cè)量物理量時(shí)銜鐵的運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移，導(dǎo)致線圈的電感值發(fā)生變化，根據(jù)定義，線圈的電感為 式中： W:線圈的匝數(shù) I:線圈中的電流 ：磁路磁通 RM磁阻，它包括鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻， 鐵磁材料各段磁

11、阻之和，鐵芯一定時(shí)，其值一定； li 各段鐵芯長度； mi 各段鐵芯的磁導(dǎo)率； Si 各段鐵芯的截面積； Rd空氣隙的磁阻， Rd = 2d/m0S。 S:氣隙磁通截面積,所謂磁阻，它與電阻的含義相仿，磁阻是表示磁路對(duì)磁通所起的阻礙作用，以符號(hào)Rm表示,51,即可得電感為 因?yàn)殍F磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，這時(shí)有 當(dāng)線圈及鐵芯一定時(shí)，W 為常數(shù)，如果改變或S 時(shí)，L值就會(huì)引起相應(yīng)的變化電感傳感器的工作原理,52,由于改變和S都是使氣隙磁阻變化，從而使電感發(fā)生變化，所以這種傳感器也叫變磁阻式傳感器。 電感式傳感器分為: 變氣隙厚度的傳感器 變氣隙面積的傳感器 使用最廣泛的

12、是變氣隙厚度式電感傳感器,53,可變磁阻式變面積型傳感器,54,可變磁阻式變氣隙型傳感器,55,4）其他轉(zhuǎn)換元件或方法 光學(xué)法 首先將位移量轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的變化，進(jìn)一步用光敏元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 反射法 透射法,56,2.電阻與電壓（或電流）的變換 一是外加電源，并和被測(cè)電阻一起構(gòu)成回路，測(cè)量回路中的電流或某一固定電阻上的壓降，這是典型的串聯(lián)式轉(zhuǎn)換電路；如下圖： 另一種方法是利用電橋進(jìn)行轉(zhuǎn)換,57,所以，直流電橋平衡條件：R1R4=R2R3 或 相對(duì)兩臂電阻的乘積相等, 或相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,電橋以直流電源供電，故稱為直流電橋,1)不平衡電橋的電壓靈敏度,電壓靈敏度:單位電阻相對(duì)變化量

13、引起電橋輸出電壓的大小,58,59,等臂電橋、單臂工作,初始狀態(tài)時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，稱為等臂電橋,電壓靈敏度,近似線性關(guān)系,全等臂四分之一電橋,60,提高靈敏度的措施： 電橋電源電壓越高，輸出電壓的靈敏度越高。 但提高電源電壓使應(yīng)變片和橋臂電阻功耗增加，溫度誤差增大。一般電源電壓取36V為宜,61,輸出電壓非線性誤差 上面在討論電橋的輸出特性時(shí)，應(yīng)用了近似條件，才得出線性關(guān)系。 全等臂四分之一電橋輸出電壓的精確值為 相對(duì)非線性誤差為,62,按冪級(jí)數(shù)展開,當(dāng)=10%時(shí),得到非線性誤差=5,63,第一對(duì)稱電橋、單臂工作 R1=R2，R3=R4，則稱為第一對(duì)稱電橋。 設(shè)R1有一增量R，電

14、橋輸出電壓為,輸出電壓與應(yīng)變成正比,第一對(duì)稱電橋的輸出電壓與等臂電橋相同，非線性誤差相同,電壓靈敏度,64,一般消除非線性誤差的方法是：采用差動(dòng)電橋 如果兩個(gè)應(yīng)變片同時(shí)參與測(cè)量，則稱為半橋測(cè)量。 半橋差動(dòng) 四個(gè)橋臂都由應(yīng)變片組成，且都產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娮枳兓?，即為全橋測(cè)量。 全橋差動(dòng),采用差動(dòng)電橋是消除非線性誤差的有效措施,65,等臂電橋、雙臂工作半橋差動(dòng),相鄰橋臂，電阻一個(gè)增加、一個(gè)減少,將兩個(gè)工作應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂，并使它們一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓，稱為半橋差動(dòng)電路,66,電橋輸出電壓為 設(shè)平衡時(shí)R1=R2=R3=R4=R，R1=R2 =R,帶入上式化簡則 結(jié)論：差動(dòng)電橋消除了非線性誤差，靈敏度

15、比單臂電橋提高了一倍,線性關(guān)系,電壓靈敏度,67,等臂電橋、四臂工作全橋差動(dòng),四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反,68,設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻變化量大小為R1、R2、R3、R4時(shí) R1=R2=R3=R4 =R,此時(shí)電橋輸出可寫為,線性關(guān)系,結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度可提高為單臂橋的4倍，并且消除了非線性誤差,電壓靈敏度,69,70,舉例1,一臺(tái)用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上下兩面各貼兩片相同的電阻應(yīng)變片（K=2），如圖所示。已知L=100mm、b=11mm、t=3mm，E=2*104N/mm2?，F(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變片接入直流電橋中，電橋電源電壓U=6V。已知應(yīng)變計(jì)算公式為 ，當(dāng)力F=0.5K

16、g時(shí)，求,1）根據(jù)應(yīng)變片的位置，畫出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖（要求輸出電壓靈敏度最高）； （2）求各個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變,3）求電阻的相對(duì)變化量,4）若電橋供電電壓U=6V， 求橋路的輸出電壓,71,1）測(cè)量橋路原理圖,72,解,2）應(yīng)變絕對(duì)值相等,3）電阻相對(duì)變化量,4）等臂全橋電路的輸出電壓,73,采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片（K=2），將其貼在實(shí)心圓柱形測(cè)力彈性元件上。如圖所示，力F=1000Kg，圓柱斷面半徑r=1cm，彈性模量E=2107 N/cm2 ，泊松比=0.3。 （1）根據(jù)應(yīng)變片在圓柱上的粘貼位置，畫出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖（要求輸出電壓靈敏度最高）； （2）求各個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變及電阻相對(duì)變

17、化量。 （3）若電橋供電電壓U=6V，求橋路輸出電壓。 提示：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為： 電阻R1、R2的應(yīng)變關(guān)系為2=-1,舉例2,74,1) R1、R3沿軸向在力F作用下產(chǎn)生正應(yīng)變，R2、R4沿圓周方向帖則產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變。從而組成全橋測(cè)量電路可以提高輸出電壓靈敏度,75,2）各個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變及電阻的相對(duì)變化量,76,3)橋路的輸出電壓,77,電流靈敏度：單位被測(cè)電阻變化時(shí)所獲得的輸出電流值,2)不平衡電橋的電流靈敏度,3)不平衡電橋的特性分析,78,電橋的電源電壓和功率 電橋的工作方式 電橋的阻值,4)不平衡電橋的設(shè)計(jì),79,電橋的電源電壓和功率,從敏感元件的允許耗散功率PTg考慮電源電壓的大小,電

18、源電壓,電源功率,80,電橋的工作方式,提高靈敏度、減小非線性 ：雙臂、四臂電橋 等臂、單臂工作與第一對(duì)稱、單臂工作電橋的選擇： 電源的功耗應(yīng)盡量小,81,電流輸出時(shí)，輸出電流盡量大，提高靈明度,等臂電橋、單臂工作 第一對(duì)稱、單臂工作,所以，需要綜合考慮非線性、靈敏度和電源功耗等多個(gè)因素來確定電橋的工作方式,82,電橋的電阻,a）電壓輸出：根據(jù)減小電源功耗的原則選擇電阻 b）電流輸出： R10和負(fù)載電阻RL已知，負(fù)載電阻和電橋電阻需達(dá)到最佳匹配。 負(fù)載電阻不確定時(shí)，在電源功耗允許的條件下，選取小的R30，使輸出電流最大；同時(shí)要滿足負(fù)載電阻和電橋電阻達(dá)到最佳匹配,83,6)交流電橋 電橋平衡時(shí)的

19、條件為 Z1Z4 = Z2Z3,電橋以交流電源供電,84,85,3.電容電壓的變換 （1）橋式電路(調(diào)幅電路） 單臂接法 平衡條件 當(dāng)Cx發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓,86,差動(dòng)接法 將電容式傳感器接入交流電橋兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個(gè)二次線圈。 變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻小，因此目前較多采用,調(diào)幅電路,87,當(dāng)交流電橋處于平衡位置時(shí)，電容傳感器起始電容量C1與C2相等，兩者容抗相等（忽略電容器內(nèi)阻）。 電容傳感器工作在平衡位置附近，有電容變化量輸出時(shí)C1C2，則Z1Z2，則 差動(dòng)式,88,次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E， 則傳感器空載時(shí)輸出電壓為 工作時(shí),線性關(guān)系

20、,89,2）輸出電壓除與被測(cè)量變化d有關(guān)外，還與電橋電源電壓有關(guān)，要求電源電壓采取穩(wěn)幅和穩(wěn)頻措施。 3）因電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高（MW級(jí)），其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作,1）輸出電壓Usc的幅值與被測(cè)量成正比調(diào)幅電路,90,變壓器電橋,91,2）差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制線路,工作原理：傳感器的電容器充放電時(shí)，電容量的變化使電路輸出的脈沖寬度隨之變化，經(jīng)低通濾波器得到與被測(cè)量變化相應(yīng)的直流信號(hào),工作過程,比較器的輸出控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出提供差動(dòng)電容器的電壓。電容端的電壓控制比較器的翻轉(zhuǎn),初值C1=C2,1,0,1,0,92,時(shí)序圖,設(shè)C1C2,C1充電速度慢于C2充電

21、速度，UA持續(xù)時(shí)間長于UB的持續(xù)時(shí)間。所以通過檢測(cè)輸出脈沖的寬度，就可以反映電容量的變化,C1=C2,C1C2,93,C1與C2的變化由被測(cè)量變化引起。經(jīng)A與B 兩端輸出電壓UAB，再經(jīng)低通濾波器得到一個(gè)由被測(cè)量變化決定的直流電壓Usc，表示為 設(shè)R1 = R2 = R，則有 結(jié)論：輸出電壓與傳感器電容變化量的代數(shù)和（兩電容的差值）成正比（C1與C2為差動(dòng)式,94,設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為 d1、d2和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對(duì)差動(dòng)式變極距型和變面積型電容式傳感器可得 特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。這是十分可貴的性質(zhì),95,無論是變間隙、變面積電容傳感器都能線性輸出。輸出為矩形波只需經(jīng)低通濾波器引出即可。 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無線性要求； 經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)