《感測技術基礎》第三章 阻抗測量

1、第3章 阻抗（電阻、電容、電感）測量 阻抗測量是一種信號變換電路。 3、1 電橋法 直流電橋,四個橋臂純電阻組成,精度高。輸出為直流信號。 交流電橋,四個橋臂為電阻或阻抗,輸出為交流信號。 電阻式、電容式、電感式傳感器的輸出信號檢測常用的是不平衡電橋，把阻抗變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出?；菟诡D電橋電橋平衡條件相對兩橋臂阻抗乘積相等。(或相鄰橋臂阻抗比值相等)Z1Z3=Z2Z4LOLOLZZZUU負載電壓)()(開路輸出電壓43214231434211ZZZZZZZZUZZZZZZUUO43432121輸出阻抗ZZZZZZZZZO 當阻抗為復數(shù)時平衡條件令Zi =Ri +JXi)()(31314242

2、31314242虛部相等實部相等RXXRXRRXXXRRXXRR利用平衡電橋，通過調(diào)節(jié)電橋使電橋平衡，可以測量電橋中任一臂的阻抗。當電橋不平衡，把被測阻抗轉(zhuǎn)換為電壓信號進行測量。3、1、2平衡電橋 1、測量電阻用，電橋平衡時321RRRRXR1R2R3是精密可調(diào)節(jié)電阻。電橋平衡時，A、B、點電位相等。稱零位式測量或比較式測量。（b）圖適合測量 損耗因數(shù)較大的電容器。 2、電橋法測電容量（采用交流電橋，信號源用正弦波信號）可測量電容器容量和損耗因數(shù)。（a）圖適合測量損耗因數(shù)小的電容器。電容器損耗因數(shù)意義對并聯(lián)等效模型的電容器，對于串聯(lián)的等效模型電容器電容器損耗因數(shù)是衡量電容器質(zhì)量的指標,D值小,

3、電容器質(zhì)量好。001tancRcRD01tancRD3、電橋法測電感量（a）適合測量Q值低電感（b）適合測量Q值高電感RCRLQ0 電感器品質(zhì)因數(shù)值意義 衡量電感器的性能。定義：諧振回路振蕩一周期內(nèi)儲存磁能或電能的最大值與一周期內(nèi)消耗能量之比。對串聯(lián)等效模型的電感器0RLRXQLQ值是電感器的質(zhì)量指標。Q值高，電感器損耗小。3.1.3 不平衡電橋 原理： 電路結(jié)構(gòu)，不接檢流計的電橋。 把阻抗式傳感器接入電橋，初始狀態(tài)讓電橋平衡，輸出電壓為0，當被測非電量變化時，引起傳感器阻抗參數(shù)變化，使電橋不平衡，輸出電壓不為0,被測非電量的變化轉(zhuǎn)化成電橋輸出電壓的變化，測量電橋輸出電壓，就可測得作用于傳感器

4、上的非電量。一、直流不平衡電橋 采用恒壓直流電源供電，電橋四橋臂只能接入電阻。)(434211RRRRRRUUO當負載無窮大時。（1）電橋單臂變化）電橋單臂變化（單臂等臂電橋）（單臂等臂電橋） 電橋的一臂電橋的一臂接入傳感器，接入傳感器，其余三臂為固其余三臂為固定電阻，電阻定電阻，電阻值相等為值相等為R，單臂電橋靈敏單臂電橋靈敏度最低。度最低。單臂電橋輸出：RReRRUUO214非線性誤差： 單臂等臂電橋的輸出在非線性誤差。所以，單臂等臂電橋存非線性誤差為：時，遠小于當，RRUUUeRRUUURRRRRRURRRUUOOOOOO214211422 (2)電橋相對兩電橋相對兩臂同向變化臂同向變化

5、 R1= R3=R+R， R2=R4 =R，為固定電阻，為固定電阻 。電阻增量正。電阻增量正負號相同，可以使輸出電壓負號相同，可以使輸出電壓Uo成成倍地增大。倍地增大。輸出信號：輸出信號：RReRRUUO212非線性誤差： (3)電橋相鄰兩臂電橋相鄰兩臂反向變化反向變化（半差動等臂電橋）（半差動等臂電橋） 電橋橫跨電源的相電橋橫跨電源的相鄰兩臂接入差動電阻鄰兩臂接入差動電阻傳感器，傳感器， R2、 R3為為差動電阻傳感器，差動電阻傳感器， R1、R4為固定電阻為固定電阻 。電阻增量正負號相反，電阻增量正負號相反，可以使輸出電壓可以使輸出電壓Uo成成倍地增大。倍地增大。輸出信號：輸出信號：02非

6、線性誤差等于RRUUO(4)電橋四臂差動工作電橋四臂差動工作（全差動等臂電橋）（全差動等臂電橋） 電橋每對相鄰的兩臂均接入差電橋每對相鄰的兩臂均接入差動電阻傳感器，全橋四臂差動動電阻傳感器，全橋四臂差動工作方式的靈敏度最高，采用工作方式的靈敏度最高，采用全差動等臂電橋、半差動等臂全差動等臂電橋、半差動等臂電橋非線性誤差為電橋非線性誤差為0。輸出信號：0eRRUUO非線性誤差： 當不平衡電橋不滿足以上四種條件時， 可應用基爾霍夫電壓定律，設定輸出電壓正方向，求出輸出電壓?；鶢柣舴螂妷憾桑涸谌魏我粋€閉合回路中，各段電阻上的電壓降的代數(shù)和等于電動勢的代數(shù)和，即 IR=E。從一點出發(fā)繞回路一周回到該

7、點時，各段電壓的代數(shù)和恒等于零，即U=0。 電橋也可以采用恒流源供電 采用恒流源供電的電橋，可以減小和消除輸出的非線性誤差， 可以消除溫度變化的影響。二、交流不平衡電橋二、交流不平衡電橋(a)電阻平衡臂交流電橋電阻平衡臂交流電橋(b)變壓器電橋變壓器電橋當兩橋臂為電阻式傳感器：當兩橋臂為電感式傳感器：當兩橋臂為電容式傳感器： 上式都包含兩參數(shù)的差與兩參數(shù)的和的比，適用于差動式阻抗傳感器的測量。21122LLLLEUO21122RRRREUO21212CCCCEUO2211,RZRZ2211,LjZLjZ22111,1CjZCjZ三、有源電橋三、有源電橋 特點，帶放大器的電橋，有源電橋與單臂電橋

8、相比，輸出電壓線性度高，靈敏度高，輸出電阻低。輸出比單臂電橋成倍提高，消除單臂電橋的非線性，（負反饋改善放大器性能） 3、2 阻抗電壓轉(zhuǎn)換 1、歐姆法（恒流法）（a）圖適合測量小電阻，（b）圖適合測量大電阻XNXRRRIU)1 (12XNXRIUXNRI圖3-2-2 自舉式R-U轉(zhuǎn)換器0NxNEURRNxOEUU2xoUU反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器XrefNXrefORIRRUU測量電阻量程由輸出電壓表的量程決定。若Uo量程為10V，RN分別為200歐、2K，則對應Rx的量程分別為1K、10K 2、比例運算法XOEOCCUUOXEOCCUUOEOCCCUU12輸出與被測電容成反比。輸出與被測電容成

9、正比。輸出與被測電容的差成正比。常用于差動式電容傳感器。差動脈沖調(diào)寬法 3、差動脈沖調(diào)寬法使用在差動電容傳感器2121CCCCUUUEABOUE輸出脈沖幅值3、3 阻抗頻率轉(zhuǎn)換器 1、調(diào)頻法 原理：把R、L、C傳感器接入振蕩電路，使振蕩頻率隨R、L、C變化。輸出具有嚴重非線性特性。OooLLffffLCf221或固定電感，改變電容。 差動電容式傳感器如采用差頻電路，靈敏度高，能抵消溫度變化的影響。 可以測量很小的電容變化量。OodCCff 2、積分法、積分法 用于電阻式傳感器，轉(zhuǎn)換器輸出信號頻率與電阻的變化成正比，具有線性變換關系。RRCRRARRTf657616)(13、4 阻抗阻抗數(shù)字轉(zhuǎn)換

10、法數(shù)字轉(zhuǎn)換法 1、電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換一、單斜積分法，適合高值電阻測量。時標脈沖的周期CXCNabCabTCRTUUUTTTNNxaaTxNaUCRUTdtRUCUa01NxbbUCRUT3、4 、2 電感、電容阻抗電感、電容阻抗-數(shù)字轉(zhuǎn)換法數(shù)字轉(zhuǎn)換法 RLjURrURLjrUUXSxSXxSX)(XSXSXXSXRCjURGUCjGRUU1電感器電容器US是正弦波信號源。GX=1/RX(直流電導)XXLjrxxCjR11 阻抗元件包含阻抗實部和虛部，阻抗電壓變換器的輸出電壓也包含實部和虛部，采用相敏檢波器把輸出電壓的實部和虛部分離。RLjURrURLjrUUXSxSXxSX)(Us與Ux的實部相位相反（180），與Ux的虛部相位正交（270）。=得到實部jUs與Ux的實部相位正交（270），與Ux的虛部相位相反（180）。=得到虛部 因此經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換就可實現(xiàn)阻抗數(shù)字化測量，通過計算就可以得到阻抗、Q值、損耗因素等參數(shù)。相敏檢波原理輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小輸入信號與參考信號同頻但有一定相位差時，輸出信號的大小與相位差有確定的函數(shù)關系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相與相位差有確定的函數(shù)關系，可以根據(jù)輸出信號的大小確定相位差的值。相敏檢波電路的這一鑒相特性。位差的值。相敏檢波電路的這一鑒相特性。0，2