差動傳感器和測量電橋基本介紹

1、差動傳感器和測量電橋差動傳感器和測量電橋2差動測量系統(tǒng)結構差動測量系統(tǒng)結構 作用：作用： 提高靈敏度提高靈敏度減少非線性誤差減少非線性誤差減少干擾的影響減少干擾的影響差動測量系統(tǒng)常用于電參量傳感器（電阻式、電容式、電感式傳感器）差動測量系統(tǒng)常用于電參量傳感器（電阻式、電容式、電感式傳感器）3差動電容傳感器差動電容傳感器n變氣隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種電容傳感器變氣隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種電容傳感器均可制成差動電容傳感器。由于變氣隙式電容傳感器均可制成差動電容傳感器。由于變氣隙式電容傳感器的非線性嚴重，實際上是很少使用的，通常制成差動的非線性嚴重，實際上是很少使用的，通常制成差動型

2、式，其常用結構見圖。型式，其常用結構見圖。變氣隙式差動電容傳感器原理變氣隙式差動電容傳感器原理差動電容式傳感器差動電容式傳感器2311000000001()().1ddddCCCCCdddddd2320200000001()().1ddddCCCCCdddddd351200002()()dddCCCCddd 0dd忽略忽略3次方以上非線性項次方以上非線性項002dCCd 靈敏度靈敏度002CCkdd同單個電容式傳感器的靈敏度相比增加了同單個電容式傳感器的靈敏度相比增加了1倍倍 變氣隙式差動電容傳感器僅含奇次方的非線性，因此其線性度得到變氣隙式差動電容傳感器僅含奇次方的非線性，因此其線性度得到很

3、大程度的改善。很大程度的改善。5脈沖調寬電路脈沖調寬電路脈沖調寬電路脈沖調寬電路脈沖調寬電路的輸出波形脈沖調寬電路的輸出波形121211120122oCCCCUUUCCCCC差動式電感傳感器差動式電感傳感器 由于自感傳感器具有初始電感，線圈流向負載的由于自感傳感器具有初始電感，線圈流向負載的電流不為零，電流不為零，銜鐵永遠受有吸力，線圈電阻受溫度影響引起溫度誤差，靈敏度低銜鐵永遠受有吸力，線圈電阻受溫度影響引起溫度誤差，靈敏度低等等缺點。因此，實際中應用較少，常用缺點。因此，實際中應用較少，常用差動自感傳感器差動自感傳感器。 差動自感傳感器：差動自感傳感器：用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵用兩

4、個相同的傳感線圈共用一個銜鐵, ,構成差構成差動式電感傳感器動式電感傳感器, ,這樣可以提高傳感器的靈敏度這樣可以提高傳感器的靈敏度, ,減小測量誤差。減小測量誤差。7 變氣隙式差動自感傳感器原理見圖變氣隙式差動自感傳感器原理見圖.它由一個公共銜它由一個公共銜鐵和上、下兩個對稱的線圈鐵和上、下兩個對稱的線圈L1和和L2組成。組成。 當銜鐵向上位移當銜鐵向上位移 ，在差動自感傳感器中，電感，在差動自感傳感器中，電感變化量：變化量：)()(250300021LLLL變氣隙式變氣隙式差動自感傳感器的特性分析差動自感傳感器的特性分析上式中第一項是線性項，其靈敏度為：上式中第一項是線性項，其靈敏度為：0

5、02LLk可見，差動自感傳感器的靈敏度是簡單自感傳感器的可見，差動自感傳感器的靈敏度是簡單自感傳感器的2倍。倍。差動自感傳感器僅含奇次方非線性項，其三次方非線性誤差為：差動自感傳感器僅含奇次方非線性項，其三次方非線性誤差為：230()100%l非線性得到很大的改善。非線性得到很大的改善。同理，變面積式和螺管式差動自感傳感器也能得到提高靈敏度和改善線性同理，變面積式和螺管式差動自感傳感器也能得到提高靈敏度和改善線性度的同樣的結論。度的同樣的結論。變氣隙式差動自感傳感器變氣隙式差動自感傳感器8n 壓力傳感器壓力傳感器圖4-33 BYM型壓力傳感器9電阻傳感器差動結構示意圖電阻傳感器差動結構示意圖電

6、阻傳感器原理：電阻傳感器原理：/ RRK10梁臂式力傳感器梁臂式力傳感器11導線張力傳感器導線張力傳感器12 電橋: 將電阻（電感、電容或阻抗）參量的微弱變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路。 電橋特點: 電路簡單，較高的準確度和靈敏度，廣泛使用 電橋分類：（4種方法）按照激勵電源的性質：直流與交流電橋；按照輸出方式：平衡式電橋與不平衡式電橋。與傳感器配接的電橋主要采用不平衡電橋。按照電源供電的方式：恒壓源供電電橋和恒流源供電電橋。按照電橋的結構：單臂電橋、差動半橋、差動全橋。測量電橋測量電橋13 Z1,Z2,Z3,Z4 Z1,Z2,Z3,Z4為四個橋臂阻抗。為四個橋臂阻抗。A A，C C兩

7、端接電壓源，則在兩端接電壓源，則在B B，D D兩兩端輸出不平衡電壓端輸出不平衡電壓U UBDBD分別為：分別為： 恒壓源供電：恒壓源供電： 恒流源供電：恒流源供電：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I214231234ABADZ ZZ ZUUUEZZZZ14231234ABADZ ZZ ZUUUIZZZZ測量電橋的基本工作原理測量電橋的基本工作原理Z0Z電源ABCZ0Z0Z0DU將電橋的一個橋臂阻抗將電橋的一個橋臂阻抗接電參數(shù)型傳感器的變接電參數(shù)型傳感器的變換器換器(Z(Z0 0Z)Z)，其余三，其余三個臂的阻抗均恒定個臂的阻抗均恒定Z Z2 2=Z=Z3 3=Z=Z4 4=Z=Z0 0，單臂

8、電橋單臂電橋 兩個橋臂與電參數(shù)型傳感器的兩兩個橋臂與電參數(shù)型傳感器的兩個差動變換器相接，則構成差動個差動變換器相接，則構成差動半橋，即兩個橋臂阻抗發(fā)生差動半橋，即兩個橋臂阻抗發(fā)生差動變化變化(Z(Z0 0ZZ， ) )其余兩個其余兩個臂的阻抗均恒定臂的阻抗均恒定Z Z3 3=Z=Z4 4=Z=Z0 0， 差動半橋差動半橋 UZ0ZABCZ0Z0Z0 ZD電源若四個橋臂阻抗均為電參數(shù)若四個橋臂阻抗均為電參數(shù)型傳感器的四個差動變換器，型傳感器的四個差動變換器，且四個橋臂阻抗發(fā)生差動變且四個橋臂阻抗發(fā)生差動變化化(Z(Z0 0ZZ，Z Z0 0 ZZ，Z Z0 0ZZ，Z Z0 0 Z) Z)，則構

9、成，則構成差動全橋電路差動全橋電路 Z0Z電源ABCZ0ZZ0 ZZ0 ZDU0ZZ15電橋的靜態(tài)特性（差動半橋）1423BD1234Z ZZ ZUEZZZZ10ZZZ輸入差動變化：輸入差動變化：20ZZZEABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2差動半橋差動半橋340ZZZ可得：可得：BD02ZUEZ01212BD01212()()2()2()ZZZZZUEEZZZZZ16電橋的靜態(tài)特性o001412EZUeZZZo022EZUeZo04ZUEeZ單臂電橋：單臂電橋：差動半橋：差動半橋：差動全橋：差動全橋： 輸入量輸入量ZZ相同的情況下，差動半橋的輸出近似為單臂電橋的兩倍，相同的情況下，差動半橋的

10、輸出近似為單臂電橋的兩倍，差動全橋是差動半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。差動全橋是差動半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。恒壓源供電恒壓源供電恒流源供電恒流源供電o01414IUZeZZo22IUZeo4UIZe17電橋靈敏度S01412EKconstZZS2EK 單臂電橋：單臂電橋：差動半橋：差動半橋：差動全橋：差動全橋：0/oSUKZ Z靈敏度：靈敏度：SKE差動半橋的靈敏度近似為單臂電橋的兩倍，差動全橋的靈敏度是差動差動半橋的靈敏度近似為單臂電橋的兩倍，差動全橋的靈敏度是差動半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。單臂電橋的靈敏度不為常數(shù)，具有非線性；單臂電橋

11、的靈敏度不為常數(shù)，具有非線性；差動半橋的靈敏度和差動全橋的靈敏度與差動半橋的靈敏度和差動全橋的靈敏度與Z Z無關且為常數(shù)，是理想的無關且為常數(shù)，是理想的直線。直線。恒壓源供電恒壓源供電恒流源供電恒流源供電S001414IKZconstZZS02IKZS0KIZ18電橋對同符號干擾量的補償特性(溫度補償）o01412TTZZEUZZZZ 10TZZZZ 單臂電橋：單臂電橋：2340ZZZZconst差動全橋：差動全橋：10TZZZZ 340ZZZconst20TZZZZ o0121TEZUZZZ差動半橋：差動半橋：10TZZZZ 20TZZZZ 30TZZZZ 40TZZZZ o011TZUEZ

12、ZZ差動電橋分子中沒有差動電橋分子中沒有Z ZT T，消除了，消除了Z ZT T對被測作用量對被測作用量Z Z的影響；分母中存的影響；分母中存在干擾量在干擾量Z ZT T，但以比值，但以比值Z ZT T/ Z/ Z很小很小, ,對輸出影響很小。對輸出影響很小。恒流源供電的差動全橋，輸入輸出特性沒有干擾量，理論上無溫度誤差。恒流源供電的差動全橋，輸入輸出特性沒有干擾量，理論上無溫度誤差。恒壓源供電恒壓源供電恒流源供電恒流源供電o01414TTZZIUZZZZ o01212TIUZZZoUIZ19電橋結論電橋結論 差動傳感器與差動電橋相配合，能使測量系統(tǒng)具有更加優(yōu)差動傳感器與差動電橋相配合，能使測

13、量系統(tǒng)具有更加優(yōu)良的特性；良的特性； 與單臂電橋相比，差動電橋與單臂電橋相比，差動電橋靈敏度更高、非線性誤差更小，靈敏度更高、非線性誤差更小，對同符號干擾有低償作用；對同符號干擾有低償作用；結論：結論： 恒流源供電的差動全橋理論上無溫度誤差，恒流源供電的差動全橋理論上無溫度誤差，對于易受溫度對于易受溫度影響傳感器，可采用電流源供電。影響傳感器，可采用電流源供電。20變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋 變壓器式的交流電橋如圖所示。電橋的兩臂變壓器式的交流電橋如圖所示。電橋的兩臂 Z1 和和Z2 為為差動自感傳感器中的兩個線圈的阻抗，另兩臂為電源變壓器差動自感傳感器中

14、的兩個線圈的阻抗，另兩臂為電源變壓器二次線圈的兩半（每一半的電壓為二次線圈的兩半（每一半的電壓為 ），輸出電壓取自），輸出電壓取自A、B兩點。假定兩點。假定0點為參考零電位，則點為參考零電位，則A點的電壓為：點的電壓為：2/U211ZZZUUAB點的電位為：點的電位為：2UUB則有輸出電壓則有輸出電壓UZZZUUUBAo)21(211ZZZ21當銜鐵處于中心位置時，由于兩線圈完全對稱，因此當銜鐵處于中心位置時，由于兩線圈完全對稱，因此 ，代入上式，得：代入上式，得：0oU同理，當傳感器銜鐵上移同樣大小的距離時，可推得：同理，當傳感器銜鐵上移同樣大小的距離時，可推得：UZZUZZZUo2)212

15、(比較上兩式可知，當銜鐵向上移動和向下移動相同距離時，其輸出大小相等，方比較上兩式可知，當銜鐵向上移動和向下移動相同距離時，其輸出大小相等，方向相反。由于電源電壓向相反。由于電源電壓 是交流，所以盡管式中有正負號，還是無法加以分辨。是交流，所以盡管式中有正負號，還是無法加以分辨。U當銜鐵向下移動時，下面線圈的阻抗增加，即當銜鐵向下移動時，下面線圈的阻抗增加，即 ，而上面線圈的阻抗，而上面線圈的阻抗減小，即減小，即 ，故此時的輸出電壓為：，故此時的輸出電壓為：ZZZ1ZZZ2UZZUZZZUo2)212(22帶相敏整流的交流電橋帶相敏整流的交流電橋帶相敏整流的測量電橋帶相敏整流的測量電橋當銜鐵處

16、于中間位置時，當銜鐵處于中間位置時， ，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓 ；當銜鐵上移，使上線圈阻抗增大，當銜鐵上移，使上線圈阻抗增大， ，而下線圈阻抗減少，而下線圈阻抗減少 。設輸入交流電壓設輸入交流電壓 為為正半周正半周，即，即A點為正，點為正，B點為負，則二極管點為負，則二極管VD1、VD4導通，導通，VD2、VD3截止。在截止。在AECB支路中，支路中，C點電位由于點電位由于 的增大而比的增大而比平衡時平衡時C點的電位降低；在點的電位降低；在AFDB支路中，支路中，D點電位由于點電位由于 的降低而比的降低而比平衡時平衡時D點的電位增加，即點的電位增加，即D點電位高

17、于點電位高于C點電位，此時直流電壓表正向偏轉點電位，此時直流電壓表正向偏轉。ZZZ210oUZZZ1ZZZ2U1Z2Z23帶相敏整流的交流電橋帶相敏整流的交流電橋帶相敏整流的測量電橋帶相敏整流的測量電橋設輸入交流電壓設輸入交流電壓 為為負半周負半周，即，即A點為負，點為負，B點為正，則二極管點為正，則二極管VD2、VD3導通，導通，VD1、VD4截止。在截止。在BCFA支路中，支路中，C點電位由于點電位由于 的減的減小而比平衡時降低。小而比平衡時降低。在在BDEA支路中，支路中，D點電位由于點電位由于 的增加而比的增加而比平衡時的電位增加。所以仍然是平衡時的電位增加。所以仍然是D點電位高于點電位高于C點電位，直流電壓表正向點電位，直流電壓表正向偏轉。只要銜鐵上移，不論輸入電壓是正半周還是負半周，電壓表總是偏轉。只要銜鐵上移，不論輸入電壓是正半周還是負半