檢測儀表的構(gòu)成和設(shè)計方法

1、3 檢測儀表 13.檢測儀表第一節(jié)檢測儀表的構(gòu)成和設(shè)計方法3 檢測儀表 2基本要求基本要求 掌握檢測儀表的組成掌握檢測儀表的組成 掌握掌握信號變換的基本形式信號變換的基本形式 信號變換的方法及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件信號變換的方法及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件位移位移電信號電信號電阻電阻電壓電壓電容電容電壓電壓電壓電壓電流電流*3 檢測儀表 33.1.1檢測儀表的組成和檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式檢測儀表的組成和檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式1.1.檢測儀表檢測儀表( (系統(tǒng)系統(tǒng)) )的組成的組成檢測儀表檢測儀表就是在敏感元件的基礎(chǔ)上配上適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換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量的大小或能輸元件或轉(zhuǎn)換電

2、路后能直接顯示被測量的大小或能輸出易于被常規(guī)儀表或裝置接受的信號。出易于被常規(guī)儀表或裝置接受的信號。*敏感敏感元件元件變換變換處理處理傳輸傳輸顯示顯示數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)3 檢測儀表 42.結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式 一體化型儀表一體化型儀表:敏感元件、信號變換和顯示敏感元件、信號變換和顯示裝置等為一個整體，使用時不能分開。裝置等為一個整體，使用時不能分開。 如，體溫計如，體溫計 組合型儀表：組合型儀表：敏感元件、信號變換和顯示敏感元件、信號變換和顯示裝置等是分開的，可以單獨使用，也可以裝置等是分開的，可以單獨使用，也可以組合使用，構(gòu)成檢測系統(tǒng)。組合使用，構(gòu)成檢測系統(tǒng)。 如，熱電

3、偶檢測系統(tǒng)如，熱電偶檢測系統(tǒng)*3 檢測儀表 53.1.2檢測儀表的設(shè)計方法檢測儀表的設(shè)計方法信號變換按結(jié)構(gòu)形式來分主要有四類：信號變換按結(jié)構(gòu)形式來分主要有四類： 簡單直接式變換簡單直接式變換 差動式變換差動式變換 參比式變換參比式變換 平衡（反饋）式變換平衡（反饋）式變換 。*3 檢測儀表 61.簡單直接式變換簡單直接式變換（1）結(jié)構(gòu)形式）結(jié)構(gòu)形式對敏感元件的要求：對敏感元件的要求：將被測量轉(zhuǎn)換成電量將被測量轉(zhuǎn)換成電量 如，熱電偶、光電池。如，熱電偶、光電池。 如，熱敏電阻、氣敏電阻如，熱敏電阻、氣敏電阻*3 檢測儀表 7 如，粘貼式應(yīng)變壓力傳感器。如，粘貼式應(yīng)變壓力傳感器。R1R2F轉(zhuǎn)換電路

4、轉(zhuǎn)換電路*3 檢測儀表 8在參數(shù)檢測中，常用到的中間物理量主在參數(shù)檢測中，常用到的中間物理量主要有位移、光量和熱量等要有位移、光量和熱量等相應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件有應(yīng)變片、電感、電容、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霍爾元件、光電器件和熱敏元件等中間物理量中間物理量 被被 測測 量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 元元 件件位位 移移壓力、溫度、流速、力、壓力、溫度、流速、力、加速度、扭矩等加速度、扭矩等應(yīng)變片、電感、應(yīng)變片、電感、電容、霍爾元件電容、霍爾元件光光 量量氣體成分、位移、濃度氣體成分、位移、濃度等等光電器件光電器件熱熱 量量溫度、流速等溫度、流速等熱電偶、熱敏電阻熱電偶、熱敏

5、電阻*3 檢測儀表 9（2）轉(zhuǎn)換電路的信息能量傳遞）轉(zhuǎn)換電路的信息能量傳遞 檢測元件根據(jù)是否需要外加能源分為兩類：有檢測元件根據(jù)是否需要外加能源分為兩類：有源的和無源的源的和無源的*3 檢測儀表 10有源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路有源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路KEgggEKiLiiLiLLiLPaaPRRRRRRERRREP22222)1 ()()(RiRLEg何時取最大值何時取最大值KELLigggPPRRadad4110檢測電路檢測電路轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路有效功率信息能量傳遞效率較低信息能量傳遞效率較低*3 檢測儀表 11有源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路有源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路RiRLE檢測電路檢測電路轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路i

6、LLLRRERu有效電壓有效電壓當(dāng)負載電阻無窮大時，電壓靈敏度最高當(dāng)負載電阻無窮大時，電壓靈敏度最高*3 檢測儀表 12無源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路無源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路ZPZLEP被測參數(shù)被測參數(shù)電阻、電容、電感電阻、電容、電感阻抗阻抗電壓、電流電壓、電流*3 檢測儀表 13無源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路無源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路KEpppKEpLPPLPLPLPLPaPaRRRRERRREPP2)1 (2)()(3202202RPRLEP有功功率增量有功功率增量1481. 022/100pmpLPpppRRadad比有源檢測元件的信息能量傳遞效率還低比有源檢測元件的信息能量傳遞效率還低p何時取最大值何時取最

7、大值提高負載上有功功率的措施：提高負載上有功功率的措施：電阻匹配、提高電阻電阻匹配、提高電阻相對變化量、提高短路功率。相對變化量、提高短路功率。*3 檢測儀表 14電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路RTHRLETHAC43432121TH434212RRRRRRRRRERRRRRRETH等效電阻：）（等效電勢：AR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBD*3 檢測儀表 15電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路RTHRLETHACAR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBD何時轉(zhuǎn)換電路何時轉(zhuǎn)換電路RL上獲得的有功功率最大？上獲得的有功功率最大？RL的電壓靈敏度何時最

8、大？的電壓靈敏度何時最大？*3 檢測儀表 16（3）簡單直接式變換式儀表的特點）簡單直接式變換式儀表的特點 準(zhǔn)確度低準(zhǔn)確度低 線性度差線性度差 能量傳遞效率低能量傳遞效率低 結(jié)構(gòu)簡短，工作可靠結(jié)構(gòu)簡短，工作可靠*3 檢測儀表 172.差動式變換差動式變換 用兩個性能完全相同的轉(zhuǎn)換元件，感受敏用兩個性能完全相同的轉(zhuǎn)換元件，感受敏感元件的輸出量，并把它轉(zhuǎn)換成兩個性質(zhì)感元件的輸出量，并把它轉(zhuǎn)換成兩個性質(zhì)相同但沿反方向變化的物理量（常見的是相同但沿反方向變化的物理量（常見的是電路參數(shù)量）。電路參數(shù)量）。 差動式結(jié)構(gòu)提高了檢測儀表（系統(tǒng)）的靈差動式結(jié)構(gòu)提高了檢測儀表（系統(tǒng)）的靈敏度和線性度，減小或消除了

9、環(huán)境等因素敏度和線性度，減小或消除了環(huán)境等因素的影響。的影響。 差動變換形式差動變換形式*3 檢測儀表 18 差動式變壓器差動式變壓器 差動式電容器差動式電容器圖圖1圖圖2*3 檢測儀表 19差動式變換的特性分析差動式變換的特性分析有效輸出信號比簡單直接變換式提高一倍有效輸出信號比簡單直接變換式提高一倍 特點特點 不能克服敏感元件受環(huán)境的影響不能克服敏感元件受環(huán)境的影響 靈敏度較高靈敏度較高 線性度較高線性度較高*3 檢測儀表 203.參比式變換參比式變換 參比式變換也稱參比式變換也稱補償式變換補償式變換。 采用這種變換的目的是為了消除條件變化對敏采用這種變換的目的是為了消除條件變化對敏感元件

10、的影響感元件的影響 參比式變換采用兩個性能完全相同的檢測元件，參比式變換采用兩個性能完全相同的檢測元件，其中一個檢測元件既感受敏感元件的輸出，又其中一個檢測元件既感受敏感元件的輸出，又感受環(huán)境條件量，另一個只感受環(huán)境條件量。感受環(huán)境條件量，另一個只感受環(huán)境條件量。 舉例舉例結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式 *3 檢測儀表 21R4R3USC 測量應(yīng)變時，測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面的表面，圖中，圖中R1稱為稱為工作應(yīng)變片工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測試另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上件材料相同的補償塊上，圖中，圖中R2，稱為，稱為補償應(yīng)變片補償應(yīng)變片。

11、在工作過程中補償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。在工作過程中補償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。補償應(yīng)變片粘貼示意圖補償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2工作原理：工作原理：橋路相臨兩臂橋路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋增加相同電阻，對電橋輸出無影響。輸出無影響。*3 檢測儀表 22R4R3USC如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。324143213241RRRRARRRRRRRRUUESC由上式可知，當(dāng)由上式可知，當(dāng)R3、R4為為常數(shù)時，常數(shù)時，Rl和和R2對輸出電對輸出電壓的作用方向相反。壓

12、的作用方向相反。*3 檢測儀表 23當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1和和R2處于同一溫度場，處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即上式中：可以選擇上式中：可以選擇R1=R2=R及及R3=R4=R。當(dāng)溫度升高或降低時，若當(dāng)溫度升高或降低時，若R1t=R2t，由上式可知電，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即橋的輸出電壓為零，即03241RRRRAUSC322411RRRRRRAUttSCRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA=可見可見,輸出電壓輸出電壓USC與溫度無關(guān)。與溫度無關(guān)。*3 檢測儀表 2

13、4當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時，只會引起電阻當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時，只會引起電阻R R1 1發(fā)生變發(fā)生變化，化，R R2 2不承受應(yīng)變。電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓：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)變由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變有關(guān)，與有關(guān)，與溫度無關(guān)。溫度無關(guān)。RKRARRRRKRRRAUttSC3224111*3 檢測儀表 25參比式變換的特性分析參比式變換的特性分析 特點特點 能夠克服環(huán)境變化引起的誤差能夠克服環(huán)境變化引起的誤差 不能克服非線性不能克服非線性 兩個檢測元件的性能要求完全一致，否則會兩個檢測元件的性能要求完全一致，否則會引起附加誤差引起附加誤差*3

14、 檢測儀表 264.平衡（反饋）式變換平衡（反饋）式變換（1）結(jié)構(gòu)形式）結(jié)構(gòu)形式 平衡式變換也稱反饋式變換，是指信號變換環(huán)節(jié)平衡式變換也稱反饋式變換，是指信號變換環(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)。（包括轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路）為閉環(huán)式結(jié)構(gòu)。*3 檢測儀表 27（2）有差隨動變換）有差隨動變換（3）無差隨動變換）無差隨動變換*3 檢測儀表 28 爐溫自動記錄儀爐溫自動記錄儀無差隨動變換無差隨動變換*3 檢測儀表 29（4）平衡式變換的特性分析）平衡式變換的特性分析 有差隨動式變換有差隨動式變換*3 檢測儀表 30 無差隨動式變換無差隨動式變換*3 檢測儀表 313.1.3檢測儀表中常見的信

15、號變換方法檢測儀表中常見的信號變換方法 1.位移與電信號的變換位移與電信號的變換溫度測量中溫度測量中 雙金屬片雙金屬片 t x x壓力測量中壓力測量中 彈性元件彈性元件 p p x x物位測量中物位測量中 浮筒浮筒 H H（f f） x x流量測量中流量測量中 轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計 q q x x*3 檢測儀表 32典型的位移典型的位移電信號轉(zhuǎn)換元件電信號轉(zhuǎn)換元件（1）霍爾元件）霍爾元件（2）電容器）電容器（3）差動變壓器）差動變壓器 *3 檢測儀表 33（2）電容器：）電容器：電容式壓力（差壓）傳感器電容式壓力（差壓）傳感器實質(zhì)：實質(zhì)：位移傳感器，位移傳感器，它利用彈性膜片在壓它利用彈性膜片

16、在壓力下變形所產(chǎn)生的位力下變形所產(chǎn)生的位移來改變傳感器的電移來改變傳感器的電容（此時膜片作為電容（此時膜片作為電容器的一個電極）。容器的一個電極）。*3 檢測儀表 34*3 檢測儀表 35 電容等效電路電容等效電路*3 檢測儀表 36 極板間的電容關(guān)系極板間的電容關(guān)系A(chǔ)OHLHLOAAOHAOHOAAOLALOCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC111111LHLHCCpppp, 0 電電容容等等效效電電路路*3 檢測儀表 37brobrobroroddRInRrdRInRrdrdrCRdrdrdC00200200002)2(2222低壓側(cè)電容的縱斷面分析低壓側(cè)電容的縱斷面分析RrRR

17、RRRRRr2)2()(2222 電容與壓力電容與壓力pH、pL的關(guān)系的關(guān)系*3 檢測儀表 38222022220224)(4)(422baaInppTraradTppraTpprdrCxrdrdCLHrobLHrobLHroAroA)(422raTppxLH 撓度撓度低壓側(cè)電容的縱斷面分析低壓側(cè)電容的縱斷面分析 電容與壓力電容與壓力pH、pL的關(guān)系的關(guān)系*3 檢測儀表 39pKppKbaaInppddInTRCCLHLHbA1122200)()(2 電容與壓力的關(guān)系電容與壓力的關(guān)系低壓側(cè)電容的縱斷面分析低壓側(cè)電容的縱斷面分析 電容與壓力電容與壓力pH、pL的關(guān)系的關(guān)系正比關(guān)系正比關(guān)系pKCC

18、CCCCHLHLAO1*3 檢測儀表 40 此電容量的變化經(jīng)此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測可以轉(zhuǎn)換成反映被測差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。出。變送器變送器 這種傳感器的結(jié)構(gòu)這種傳感器的結(jié)構(gòu)堅實，靈敏度高，過堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高，載能力大；精度高，其精確度可達其精確度可達0.250.05；可以；可以測量壓力和差壓。測量壓力和差壓。*3 檢測儀表 41該系列產(chǎn)品采用世界上最成熟的電容傳該系列產(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)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，將被測介質(zhì)的壓力字電路及通訊

19、模塊，將被測介質(zhì)的壓力信號轉(zhuǎn)換成信號轉(zhuǎn)換成4-20mADC4-20mADC模擬信號。模擬信號。 過程壓力通過兩側(cè)或一側(cè)隔離膜片，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量膜片上灌充液作用在敏感元件張緊的測量膜片上, ,測量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電容極板各測量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電容極板各組成一個電容器組成一個電容器, ,在無壓力通入或兩側(cè)壓在無壓力通入或兩側(cè)壓力均等時測量膜片處于中間位置力均等時測量膜片處于中間位置, ,兩個電兩個電容器的電容量相等容器的電容量相等. .當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時, ,致使測量膜片產(chǎn)生位移致使測量膜片產(chǎn)生位移, ,其位移量和壓力其位移

20、量和壓力差成正比差成正比, ,這種位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形這種位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動電容成的差動電容. .由電子線路把差動電容轉(zhuǎn)由電子線路把差動電容轉(zhuǎn)換成換成4-20mADC4-20mADC的電流信號的電流信號. .*3 檢測儀表 42(3)差動變壓器差動變壓器-互感式傳感器互感式傳感器 差動變壓器是利用互感原差動變壓器是利用互感原理把位移轉(zhuǎn)換成電信號的理把位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種常用的轉(zhuǎn)換元件。一種常用的轉(zhuǎn)換元件。 差動變壓器本身是一個變差動變壓器本身是一個變壓器，初級線圈輸入交流壓器，初級線圈輸入交流電壓，次級線圈感應(yīng)出電電壓，次級線圈感應(yīng)出電信號，當(dāng)互感受外界影響信號，當(dāng)互感受外界影

21、響變化時，其感應(yīng)電壓也隨變化時，其感應(yīng)電壓也隨之起相應(yīng)的變化，由于它之起相應(yīng)的變化，由于它的的次級線圈接成差動的形次級線圈接成差動的形式式，故稱為差動變壓器。，故稱為差動變壓器。*3 檢測儀表 43結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1abcdcdVV繞線管繞線管線圈組合線圈組合銜鐵銜鐵+-+-*3 檢測儀表 44(e)(e)、(f) (f) 變面積式差動變壓器變面積式差動變壓器 (a)(a)、(b) (b) 變間隙式差動變壓器變間隙式差動變壓器(c)(c)、(d) (d) 螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2*3 檢測儀表 45工作原理工作原理 差動變壓器上下兩只鐵芯上均有一個初級線圈差動變壓器上下兩只鐵芯上

22、均有一個初級線圈W W1 1（也稱勵磁線圈）和一個次級線圈（也稱勵磁線圈）和一個次級線圈W W2 2（也叫輸出線（也叫輸出線圈）。上下兩個初級線圈串聯(lián)后接交流勵磁電源電壓圈）。上下兩個初級線圈串聯(lián)后接交流勵磁電源電壓U Usrsr，兩個次級線圈則按電勢反相串聯(lián)。，兩個次級線圈則按電勢反相串聯(lián)。 1 Usr (a) 22 1 UscUsr (b) Usc*3 檢測儀表 46*3 檢測儀表 47*3 檢測儀表 48*3 檢測儀表 49l2S2S1匝數(shù)為匝數(shù)為W的的線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵Usr（4 4）其他轉(zhuǎn)換元件或方法）其他轉(zhuǎn)換元件或方法利用線圈自感原理把位移轉(zhuǎn)換成電感量的變化利用線圈自感原理把

23、位移轉(zhuǎn)換成電感量的變化 電感器電感器-自感式傳感器自感式傳感器*3 檢測儀表 50 工作原理：工作原理：傳感器測量物理量時銜鐵的運動部分產(chǎn)生位移，導(dǎo)傳感器測量物理量時銜鐵的運動部分產(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：式中： W:線圈的匝數(shù)線圈的匝數(shù) I:線圈中的電流線圈中的電流 ：磁路磁通：磁路磁通 RM磁阻，它包括磁阻，它包括鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻， 鐵磁材料各段磁阻之和，鐵芯一定時，其值一定；鐵磁材料各段磁阻之和，鐵芯一定時，其值一定； li 各段鐵芯長度；各段鐵芯長度； m mi 各

24、段鐵芯的磁導(dǎo)率；各段鐵芯的磁導(dǎo)率； Si 各段鐵芯的截面積；各段鐵芯的截面積； R 空氣隙的磁阻，空氣隙的磁阻， R 22 / /m m0 0S。 S:氣隙磁通截面積氣隙磁通截面積M2RWLmRSlRiiiMiiiSlm銜 鐵線 圈鐵 芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr .所謂磁阻，它與電阻的含義相仿，磁阻是表示磁路對所謂磁阻，它與電阻的含義相仿，磁阻是表示磁路對磁通所起的阻礙作用，以符號磁通所起的阻礙作用，以符號Rm表示。表示。MRWIIWL*3 檢測儀表 51 即可得電感為即可得電感為 因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計算因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計算時可忽略

25、不計，這時有時可忽略不計，這時有 當(dāng)線圈及鐵芯一定時，當(dāng)線圈及鐵芯一定時，W W 為常數(shù)，如果改變?yōu)槌?shù)，如果改變或或S S 時，時，L L值就會引起相應(yīng)的變化值就會引起相應(yīng)的變化電感傳感器的工作原理電感傳感器的工作原理。 銜鐵線圈鐵芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr .SSlWLiii022mmm202SWL *3 檢測儀表 52 由于改變由于改變和和S S都是使氣隙磁阻變化，從而使電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感發(fā)生變化，所以這種傳感器也叫變磁阻式傳感變磁阻式傳感器器。 電感電感式傳感器分為式傳感器分為: 變氣隙厚度變氣隙厚度的傳感器的傳感器 變氣隙面

26、積變氣隙面積的傳感器的傳感器 使用最廣泛的是變氣隙厚度使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器式電感傳感器銜鐵線圈鐵芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr .m202SWL *3 檢測儀表 53m202SWL 可變可變磁阻式磁阻式變面積型變面積型傳感器傳感器*3 檢測儀表 54m202SWL 可變可變磁阻式磁阻式變氣隙型變氣隙型傳感器傳感器*3 檢測儀表 55（4 4）其他轉(zhuǎn)換元件或方法）其他轉(zhuǎn)換元件或方法光學(xué)法光學(xué)法 首先將位移量轉(zhuǎn)換成光強的變化，進一步首先將位移量轉(zhuǎn)換成光強的變化，進一步用光敏元件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。用光敏元件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 反射法反射法透射法透射法*3 檢測儀表

27、 562.電阻與電壓電阻與電壓（或電流）（或電流）的變換的變換一是外加電源，并和被測電阻一起構(gòu)成回路，測一是外加電源，并和被測電阻一起構(gòu)成回路，測量回路中的電流或某一固定電阻上的壓降，這是量回路中的電流或某一固定電阻上的壓降，這是典型的典型的串聯(lián)式轉(zhuǎn)換電路串聯(lián)式轉(zhuǎn)換電路；如下圖：；如下圖：另一種方法是利用電橋進行轉(zhuǎn)換另一種方法是利用電橋進行轉(zhuǎn)換*RPRLEP3 檢測儀表 57所以，所以，直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件：R R1 1R R4 4= =R R2 2R R3 3 或或相對相對兩臂電阻的兩臂電阻的乘積相等乘積相等, , 或或相鄰相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)兩臂電阻的比值應(yīng)相等。相等。AR1I

28、2ULRLBI1UER3R2R443214132EE434E212LRRRRRRRRUURRRURRRU電橋以直流電源供電，故電橋以直流電源供電，故稱為稱為直流電橋直流電橋。0LU初始平衡時：4321RRRR(1)不平衡電橋的電壓靈敏度不平衡電橋的電壓靈敏度電壓靈敏度電壓靈敏度: :單位電阻相對變化量引起電橋輸出電壓單位電阻相對變化量引起電橋輸出電壓的大小。的大小。*3 檢測儀表 58*3 檢測儀表 59等臂電橋、單臂工作等臂電橋、單臂工作AR1I2ULRLBI1UER3R2R4變化：產(chǎn)生承受應(yīng)變后，11RR242222EE11E11E43211144132E4321141132LUURRRR

29、URRRRRURRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRU初始狀態(tài)時，初始狀態(tài)時，R R1=1=R R2=2=R R3=3=R R4=4=R R，稱為等臂電橋。，稱為等臂電橋。44EELURRUU電壓靈敏度電壓靈敏度近似線性關(guān)系近似線性關(guān)系全等臂四分之一電橋全等臂四分之一電橋*3 檢測儀表 60 提高靈敏度的措施：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。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。一般電源電壓取誤差增大。一般電源電壓取3 36V6V為宜。為宜。44EELUR

30、RUU*3 檢測儀表 61輸出電壓非線性誤差輸出電壓非線性誤差 上面在討論電橋的輸出特性時，應(yīng)用了近似條件，上面在討論電橋的輸出特性時，應(yīng)用了近似條件，才得出線性關(guān)系。才得出線性關(guān)系。 全等臂四分之一電橋全等臂四分之一電橋輸出電壓的精確值為輸出電壓的精確值為 相對非線性誤差相對非線性誤差為：為：24ELUU211214241EELLLUUUUU4ELUU*3 檢測儀表 62按冪級數(shù)展開按冪級數(shù)展開211121 3281412112121當(dāng)當(dāng)=10%時時,得到非線性誤差得到非線性誤差=5%*3 檢測儀表 63第一對稱電橋第一對稱電橋、單臂工作、單臂工作R1=R2，R3=R4，則稱為第一對稱電橋。

31、，則稱為第一對稱電橋。設(shè)設(shè)R1有一增量有一增量R，電橋輸出電壓為，電橋輸出電壓為輸出電壓與應(yīng)變成正比。輸出電壓與應(yīng)變成正比。 AR1I2ULRLBI1UER3R2R4242222EE1111E11414E43211144132E4321141132LUURRRRURRRRRURRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRU第一對稱電橋的輸出電第一對稱電橋的輸出電壓與等臂電橋相同，非壓與等臂電橋相同，非線性誤差相同。線性誤差相同。44EELURRUU電壓靈敏度電壓靈敏度*3 檢測儀表 64 一般消除非線性誤差的方法是：一般消除非線性誤差的方法是：采用差動電橋采用差動電橋 如果兩個應(yīng)變片同時參與測量

32、，則稱為如果兩個應(yīng)變片同時參與測量，則稱為半橋半橋測量測量。 半橋差動半橋差動 四個橋臂都由應(yīng)變片組成，且都產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃膫€橋臂都由應(yīng)變片組成，且都產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娮枳兓?，即為電阻變化，即為全橋測量全橋測量。 全全橋差動橋差動采用采用差動電橋差動電橋是消除非線性誤差的有效措施。是消除非線性誤差的有效措施。*3 檢測儀表 65等臂電橋、雙臂工作等臂電橋、雙臂工作半橋差動半橋差動v相鄰橋臂，電阻一個增加、一個減少相鄰橋臂，電阻一個增加、一個減少將兩個工作應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂，并使它們一將兩個工作應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂，并使它們一個受拉，另一個受壓，稱為個受拉，另一個受壓，稱為半橋差動電路半橋差動電路.

33、R1+R1R2 - R2R3R4ULUE*3 檢測儀表 66 電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為 設(shè)平衡時設(shè)平衡時R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4= =R R，R R1 1=R R2 2 =R R, ,帶入上式化簡帶入上式化簡則則 結(jié)論：結(jié)論：差動電橋消除了非線性誤差，靈敏差動電橋消除了非線性誤差，靈敏度比單臂電橋提高了一倍。度比單臂電橋提高了一倍。E434221122LURRRRRRRRRURRUU2EL線性關(guān)系線性關(guān)系電壓靈敏度電壓靈敏度*3 檢測儀表 67等臂電橋、四臂工作等臂電橋、四臂工作全橋差動全橋差動v四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反四臂都是應(yīng)變片，且

34、相鄰電阻變化相反R1+ R1R2 - R2ULUE R3- R3R4+ R4*3 檢測儀表 68設(shè)電橋設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻變化量大小為各臂均有相應(yīng)的電阻變化量大小為R1、R2、R3、R4時時R1=R2=R3=R4 =R,此時電橋輸出可寫為此時電橋輸出可寫為 RRURRRRRRUUEEL22443344221122RRRRRRRRRRRRUUEL線性關(guān)系線性關(guān)系結(jié)論：結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度可提高為單臂橋的全橋電路電壓靈敏度可提高為單臂橋的4倍，倍，并且消除了非線性誤差。并且消除了非線性誤差。電壓靈敏度電壓靈敏度*3 檢測儀表 69*3 檢測儀表 70舉例舉例1： 一臺用等強度梁作為彈性元件

35、的電子秤，在梁的上下兩面各一臺用等強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（貼兩片相同的電阻應(yīng)變片（K=2），如圖所示。已知），如圖所示。已知L=100mm、b=11mm、t=3mm，E=2*104N/mm2?，F(xiàn)將四。現(xiàn)將四個應(yīng)變片接入直流電橋中，電橋電源電壓個應(yīng)變片接入直流電橋中，電橋電源電壓U=6V。已知應(yīng)變。已知應(yīng)變計算公式為計算公式為 ，當(dāng)力，當(dāng)力F=0.5Kg時，求：時，求：FEbtl26RR（1 1）根據(jù)應(yīng)變片的位置，畫出相應(yīng)的測量橋路原理圖）根據(jù)應(yīng)變片的位置，畫出相應(yīng)的測量橋路原理圖（要求輸出電壓靈敏度最高）；（要求輸出電壓靈敏度最高）；（2 2）求各個

36、應(yīng)變片的應(yīng)變）求各個應(yīng)變片的應(yīng)變（3 3）求電阻的相對變化量）求電阻的相對變化量（4 4）若電橋供電電壓）若電橋供電電壓U=6VU=6V，求橋路的輸出電壓。求橋路的輸出電壓。 F l t F b *3 檢測儀表 71（1）測量橋路原理圖）測量橋路原理圖R1+ R1R2 - R2ULUE R4- R4R3+ R3*3 檢測儀表 72解：解：（2）應(yīng)變絕對值相等：）應(yīng)變絕對值相等：FEbtl242316（3）電阻相對變化量：）電阻相對變化量：KRRRRRRRRRR4231（4）等臂全橋電路的輸出電壓：）等臂全橋電路的輸出電壓：mVFEbtlUKUKRRUU8 .171023111008 . 95

37、. 066264220*3 檢測儀表 73 采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片（采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片（K=2），將其貼在實心圓），將其貼在實心圓柱形測力彈性元件上。如圖所示，力柱形測力彈性元件上。如圖所示，力F=1000Kg，圓柱斷，圓柱斷面半徑面半徑r=1cm，彈性模量，彈性模量E=2107 N/cm2 ，泊松比，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)的測量）根據(jù)應(yīng)變片在圓柱上的粘貼位置，畫出相應(yīng)的測量橋路原理圖（要求輸出電壓靈敏度最高）；橋路原理圖（要求輸出電壓靈敏度最高）； （2）求各個應(yīng)變片的應(yīng)變及電阻相對變化量。）求各個應(yīng)變片的應(yīng)變及電阻相對變化量。 （3）若電

38、橋供電電壓）若電橋供電電壓U=6V，求橋路輸出電壓。，求橋路輸出電壓。 提示：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：提示：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為： 電阻電阻R1、R2的應(yīng)變關(guān)系為的應(yīng)變關(guān)系為2 2=-1 1舉例舉例2：E， *3 檢測儀表 74(1) R1、R3沿軸向在力沿軸向在力F作用下產(chǎn)生正應(yīng)變，作用下產(chǎn)生正應(yīng)變，R2、R4沿圓周方向帖則產(chǎn)生負應(yīng)變。從而組成全橋測沿圓周方向帖則產(chǎn)生負應(yīng)變。從而組成全橋測量電路可以提高輸出電壓靈敏度。量電路可以提高輸出電壓靈敏度。*3 檢測儀表 75（2）各個應(yīng)變片的應(yīng)變及電阻的相對變化量。）各個應(yīng)變片的應(yīng)變及電阻的相對變化量。44244224413311444247231109

39、4. 01047. 021012. 31056. 12471047. 01056. 13 . 01561056. 110218 . 91000mmmkRRRRkRRRRSEFSEF*3 檢測儀表 76(3)橋路的輸出電壓橋路的輸出電壓mVURRRRURRRRRRRRUO22. 16)1094. 01012. 3(21)(21)(4144221144332211*3 檢測儀表 77 電流靈敏度：電流靈敏度：單位被測電阻變化時所獲得的輸出單位被測電阻變化時所獲得的輸出電流值。電流值。(2)不平衡電橋的電流靈敏度不平衡電橋的電流靈敏度RTHRLETHACTH0LTH0THLTH0RR RRRRITH

40、THEE電流：AR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBD(3)不平衡電橋的特性分析不平衡電橋的特性分析*3 檢測儀表 78 電橋的電源電壓和功率電橋的電源電壓和功率 電橋的工作方式電橋的工作方式 電橋的阻值電橋的阻值(4)不平衡電橋的設(shè)計不平衡電橋的設(shè)計*3 檢測儀表 79電橋的電源電壓和功率電橋的電源電壓和功率 從敏感元件的允許耗散功率從敏感元件的允許耗散功率PTg考慮電源電壓的大小。考慮電源電壓的大小。AR1I2ULRLBI1UER3R2R4ACEBDTgTTPRPRERRREP11122122)(3012301124322122RRERRPREPRRERREPEEE）（第一對稱、

41、單臂工作等臂電橋電源電壓電源電壓電源功率電源功率*3 檢測儀表 80電橋的工作方式電橋的工作方式 提高靈敏度、減小非線性提高靈敏度、減小非線性 ：雙臂、四臂電橋：雙臂、四臂電橋 等臂、單臂工作與第一對稱、單臂工作電橋的選擇：等臂、單臂工作與第一對稱、單臂工作電橋的選擇：電源的功耗應(yīng)盡量小電源的功耗應(yīng)盡量小功耗減小。時，第一對稱電橋電源當(dāng)時，電源功耗相等；當(dāng)）（第一對稱、單臂工作等臂電橋130130301230112432212RRRR2RRERRPREPRRERREPEEE*3 檢測儀表 81電流輸出時，輸出電流盡量大，提高靈明度電流輸出時，輸出電流盡量大，提高靈明度等臂電橋、單臂工作等臂電橋

42、、單臂工作第一對稱、單臂工作第一對稱、單臂工作1030100201/)24()34()58(RRmmREIREI但是非線性誤差增大。得的功率增加，即采用第一對稱電橋獲時當(dāng),II ,1m2010所以，需要綜合考慮非線性、靈敏度和電源功所以，需要綜合考慮非線性、靈敏度和電源功耗等多個因素來確定電橋的工作方式。耗等多個因素來確定電橋的工作方式。*3 檢測儀表 82電橋的電阻電橋的電阻(第一對稱電橋第一對稱電橋)a）電壓輸出：）電壓輸出：根據(jù)減小電源功耗的原則選擇電阻根據(jù)減小電源功耗的原則選擇電阻b）電流輸出：）電流輸出： R10和負載電阻和負載電阻RL已知，已知，負載電阻和電橋電阻需負載電阻和電橋電

43、阻需達到最佳匹配。達到最佳匹配。 負載電阻不確定時，負載電阻不確定時，在電源功耗允許的條件下，在電源功耗允許的條件下，選取小的選取小的R30，使輸出電流最大；同時要滿足負載，使輸出電流最大；同時要滿足負載電阻和電橋電阻達到最佳匹配。電阻和電橋電阻達到最佳匹配。2230100RRRRTHL*3 檢測儀表 83(6)(6)交流電橋交流電橋 電橋平衡時的條件為電橋平衡時的條件為 Z Z1 1Z Z4 4 = = Z Z2 2Z Z3 3 43213241433211LZZZZZZZZUZZZUZZZUU電橋以交流電源供電電橋以交流電源供電*3 檢測儀表 84*3 檢測儀表 853.電容電壓的變換電容

44、電壓的變換（1）橋式電路）橋式電路( (調(diào)幅電路）調(diào)幅電路）l單臂接法單臂接法 平衡條件平衡條件當(dāng)當(dāng)Cx發(fā)生變化時，輸出電壓發(fā)生變化時，輸出電壓321CCCCxouCKuo*3 檢測儀表 86l 差動差動接法接法 將將電容式傳感器電容式傳感器接入交流電橋兩個相鄰臂，另接入交流電橋兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個二次線圈。兩個二次線圈。 變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻小，因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。此目前較多采用。調(diào)幅電路調(diào)幅電路*3 檢測儀表 87 當(dāng)交流電橋處于平衡位置時，電容傳感器起

45、始電當(dāng)交流電橋處于平衡位置時，電容傳感器起始電容量容量C C1 1與與C C2 2相等，兩者容抗相等（忽略電容器內(nèi)阻）。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，有電容變化量電容傳感器工作在平衡位置附近，有電容變化量輸出時輸出時C C1 1C C2 2，則，則Z Z1 1Z Z2 2，則，則 差動式差動式21ZZ 21j1j1CCddACx1ddACx2*3 檢測儀表 88次級線圈感應(yīng)電動勢為次級線圈感應(yīng)電動勢為E，則傳感器空載時輸出電壓為則傳感器空載時輸出電壓為 工作時工作時 211222121scZZZZEEZZZEEUAddCZxjj111AddCZxjj12

46、2EddECCECCCCUxxxx02121sc線性關(guān)系線性關(guān)系*3 檢測儀表 89 2）輸出電壓除與被測量變化）輸出電壓除與被測量變化d有關(guān)外，還與電橋電源有關(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。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（）因電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高（MW W級），級），其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。EddECCCCUxxxx2121sc1）輸出電壓）輸出電壓Usc的幅值與被測量成正比的幅值與被測量成正比調(diào)幅電路。調(diào)幅電路。*3 檢測儀表 90變壓器電橋變壓器電橋*3

47、 檢測儀表 91（2 2）差動脈沖寬度調(diào)制線路）差動脈沖寬度調(diào)制線路工作原理：工作原理：傳傳感器的電容器感器的電容器充放電時，電充放電時，電容量的變化使容量的變化使電路輸出的脈電路輸出的脈沖寬度隨之變沖寬度隨之變化，經(jīng)低通濾化，經(jīng)低通濾波器得到與被波器得到與被測量變化相應(yīng)測量變化相應(yīng)的直流信號。的直流信號。 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)器的輸出提供差動電容器的電壓。電容端的電壓控制比較器的翻轉(zhuǎn)。提供差動電容器的電壓。電容端的電壓控制比較器的翻轉(zhuǎn)。R 雙穩(wěn)雙穩(wěn) Q態(tài)觸態(tài)觸S 發(fā)器發(fā)器 QA1A2USCUPC1C2D1R1R2

48、D2ABMN+U101010*3 檢測儀表 92UAU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUp0tT1UNUp0tT2UMUp0tT1UNUp0tT2時序圖時序圖設(shè)設(shè)C C1 1CC2 2,C,C1 1充電速度慢于充電速度慢于C C2 2充電速度，充電速度，U UA A持續(xù)時間長于持續(xù)時間長于U UB B的持續(xù)時間。的持續(xù)時間。所以通過檢測所以通過檢測輸出脈沖的寬度，就可以反映電容量的變化。輸出脈沖的寬度，就可以反映電容量的變化。*3 檢測儀表 93 C C1 1與與C C2 2的變化由被測量變化引起。經(jīng)的變化由被測量變化引起。經(jīng)A A與與B B 兩兩端輸

49、出電壓端輸出電壓U UABAB，再經(jīng)低通濾波器得到一個由被測量，再經(jīng)低通濾波器得到一個由被測量變化決定的直流電壓變化決定的直流電壓U Uscsc，表示為，表示為 設(shè)設(shè)R R1 1 = = R R2 2 = = R R，則有，則有 結(jié)論：結(jié)論：輸出電壓與傳感器電容變化量的代數(shù)和（兩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（電容的差值）成正比（C C1 1與與C C2 2為差動式）。為差動式）。 1212112121211BAscUTTTTUTTTUTTTUUU111CRT222CRT12121scUCCCCU*3 檢測儀表 94 設(shè)電容設(shè)電容C1和和C2的極間距離和面積分別為的極

50、間距離和面積分別為 d1、d2和和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對，將平行板電容公式代入上式，對差動式變極距型差動式變極距型和和變面積型變面積型電容式傳感器可得電容式傳感器可得 特性：特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容任何差動式電容式傳感器式傳感器，并具有理論上的，并具有理論上的線性特性線性特性。這是十分可貴的。這是十分可貴的性質(zhì)。性質(zhì)。1122112112USSSSUUddddUscsc；12121scUCCCCU*3 檢測儀表 95v無論是變間隙、變面積電容傳感器都能線性輸無論是變間隙、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。出。輸出為矩形波只需經(jīng)低通濾波器