感測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第三章-阻抗(電阻、電容、電感)的測(cè)課件

第3章阻抗(電阻、電容、電感)的測(cè)量第3章阻抗(電阻、電容、電感)的測(cè)量1阻抗的測(cè)量方法電橋法阻抗—電壓轉(zhuǎn)換法阻抗—頻率轉(zhuǎn)換法阻抗—數(shù)字轉(zhuǎn)換法阻抗的測(cè)量方法電橋法阻抗—電壓轉(zhuǎn)換法阻抗—頻率轉(zhuǎn)換法阻抗—數(shù)23.1電橋法3.1.1惠斯頓電橋圖3-1-1普通的惠斯頓電橋平衡條件：戴維南定理：一個(gè)含有獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源及電阻的線性網(wǎng)絡(luò)的兩端，就其外部型態(tài)而言，在電性上可以用一個(gè)獨(dú)立電壓源V和一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電阻組合來等效。3.1電橋法3.1.1惠斯頓電橋圖3-1-1普通的惠斯33.1.2平衡電橋法圖3-1-2平衡電橋法測(cè)電阻用途：常用在實(shí)驗(yàn)室作為精密測(cè)量的一種方法。缺點(diǎn)：為獲得平衡狀態(tài)，需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)，不僅麻煩，而且測(cè)試速度慢，不能適應(yīng)大量、快速測(cè)量的需要，也不適合電阻傳感器的變化電阻的測(cè)量。原理：利用電橋平衡時(shí)滿足關(guān)系式：在三個(gè)阻抗已知時(shí)，可以求出另一阻抗的值3.1.2平衡電橋法圖3-1-2平衡電橋法測(cè)電阻用途：常4圖3-1-3測(cè)電容電橋測(cè)量損耗小的電容器測(cè)量損耗大的電容器圖3-1-3測(cè)電容電橋圖3-1-3測(cè)電容電橋測(cè)量損耗小的電容器測(cè)量損耗大的電容器5圖3-1-4測(cè)電感的電橋

測(cè)量低Q值電感測(cè)量高Q值電感圖3-1-4測(cè)電感的電橋測(cè)量低Q值電感測(cè)量高Q值電感63.1.3不平衡電橋法

用途：用于阻抗參數(shù)隨被測(cè)非電量變化的電阻式、電感式和電容式三種阻抗式傳感器。分類：直流不平衡電橋（恒壓源供電、恒流源供電）交流不平衡電橋有源電橋原理：將阻抗參數(shù)值隨被測(cè)非電量變化的阻抗式傳感器接入電橋，初始狀態(tài)即被測(cè)非電量為0時(shí)，讓電橋平衡即輸出電壓為0，當(dāng)被測(cè)非電量變化而不為0時(shí)，引起阻抗值變化，使電橋不平衡即輸出電壓不為0.這樣就把被測(cè)非電量變化轉(zhuǎn)換為電橋電壓變化。測(cè)出電橋電壓，就可求出非電量。3.1.3不平衡電橋法

用途：用于阻抗參數(shù)隨被測(cè)非電量變化73.1.3不平衡電橋法

一、直流不平衡電橋圖3-1-5電阻傳感器電橋的實(shí)例電橋單臂變化電橋相對(duì)兩臂同向變化電橋相鄰兩臂反向變化電橋四臂差動(dòng)工作R4R3R2R13.1.3不平衡電橋法

一、直流不平衡電橋圖3-1-5電8電橋恒壓源供電和恒流源供電的對(duì)比電橋恒壓源供電和恒流源供電的對(duì)比91.恒流源供電的優(yōu)點(diǎn)：（1）電橋從恒壓源供電改為恒流源供電，可以減小和消除非線性。（2）恒流源供電比恒壓源供電更能消除溫度變化的影響。2.差動(dòng)電橋（差動(dòng)式電阻傳感器接在橫跨電源的相鄰兩臂）優(yōu)點(diǎn)：（1）提高靈敏度（2）消除非線性1.恒流源供電的優(yōu)點(diǎn)：10例1為什么差動(dòng)式電阻傳感器應(yīng)接在橫跨電源的相鄰兩臂？對(duì)比可見，差動(dòng)式電阻傳感器接在橫跨電源的相鄰兩臂，可消除非線性。例1為什么差動(dòng)式電阻傳感器應(yīng)接在橫跨電源的相鄰兩臂？對(duì)比可11圖3-1-6兩種交流電橋二、交流不平衡電橋此三個(gè)式子都包含兩個(gè)參數(shù)的差與兩參數(shù)的和之比。故變壓器電橋和電阻平衡臂電橋都適合于差動(dòng)式阻抗傳感器圖3-1-6兩種交流電橋二、交流不平衡電橋此三個(gè)式子都包含12圖3-1-7有源電橋三、有源電橋有源電橋輸出電壓線性度高、靈敏度高、且具有很低的輸出阻抗，在測(cè)溫電路中得到了廣泛應(yīng)用。與單臂電橋相比，有源電橋輸出電壓成倍提高，且消除了單臂電橋的非線性。(a)(b)、(c)(d)圖3-1-7有源電橋三、有源電橋有源電橋輸出電壓線性度高、133.2阻抗－電壓轉(zhuǎn)換法3.2.1歐姆法（恒流法）--讓已知的標(biāo)準(zhǔn)恒定電流通過被測(cè)阻抗，把被測(cè)阻抗轉(zhuǎn)換為電壓來測(cè)量。

圖3-2-1電阻－電壓轉(zhuǎn)換基本電路適合測(cè)小電阻適合測(cè)大電阻3.2阻抗－電壓轉(zhuǎn)換法3.2.1歐姆法（恒流法）圖3-214圖3-2-2自舉式R-U轉(zhuǎn)換器自舉式R-U轉(zhuǎn)換器圖3-2-2自舉式R-U轉(zhuǎn)換器自舉式R-U轉(zhuǎn)換器15圖3-2-3恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器圖3-2-3恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器16圖3-2-4反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器圖3-2-4反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器17例2采用下圖和一塊量程1mA的電流表及一個(gè)10K歐電位器構(gòu)成一個(gè)電子歐姆表，畫出電路圖，說明使用前調(diào)整方法，計(jì)算該歐姆表量程及電流表讀數(shù)0.5mA時(shí)的Rx值。

123456例2采用下圖和一塊量程1mA的電流表及一個(gè)10K歐電位器構(gòu)183.2.2比例運(yùn)算法圖3-2-5比例運(yùn)算法測(cè)量電路(a)(b)(c)3.2.2比例運(yùn)算法圖3-2-5比例運(yùn)算法測(cè)量電路(a)193.2.3差動(dòng)脈沖調(diào)寬法圖3-2-6差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路也稱脈沖調(diào)制電路，C1和C2為差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩端分別輸出高電平UE和低電平0。3.2.3差動(dòng)脈沖調(diào)寬法圖3-2-6差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路也稱20圖3-2-7脈沖調(diào)寬波形R1=R2圖3-2-7脈沖調(diào)寬波形R1=R221圖3-2-8差動(dòng)電感脈沖調(diào)寬電路圖3-2-8差動(dòng)電感脈沖調(diào)寬電路22濾波器截止頻率

方波基波頻率

為使保留直流分量（平均值），須濾除基波及諧波，故濾波器應(yīng)為低通濾波器，且截止頻率應(yīng)為

濾波器截止頻率方波基波頻率為使保留直流分量（平均值），233.3阻抗－頻率轉(zhuǎn)換法3.3.1調(diào)頻法圖3-3-1調(diào)頻電路原理：把R、L、C參量接入RC或LC振蕩回路，使振蕩電路頻率隨R、L、C變化。3.3阻抗－頻率轉(zhuǎn)換法3.3.1調(diào)頻法圖3-3-1調(diào)24調(diào)頻電路具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系，要求后續(xù)電路做適當(dāng)?shù)木€性處理。調(diào)頻電路只有在f0較大的情況下才能達(dá)到較高的精度調(diào)頻電路具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系，要求后續(xù)電路做適當(dāng)?shù)木€性處理。25圖3-3-2差頻電路優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可測(cè)量0.01pF甚至更小的變化量。缺點(diǎn)：振蕩頻率受溫度和電纜電容影響大。圖3-3-2差頻電路優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可測(cè)量0.01pF甚至263.3.2積分法圖3-3-3電阻－頻率轉(zhuǎn)換器3.3.2積分法圖3-3-3電阻－頻率轉(zhuǎn)換器27所以

轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)頻率f與ΔR成正比，具有線性關(guān)系所以283.4阻抗－數(shù)字轉(zhuǎn)換法3.4.1電阻－數(shù)字轉(zhuǎn)換法圖3-4-1單斜積分型一、單斜積分型（適合測(cè)高值電阻）3.4阻抗－數(shù)字轉(zhuǎn)換法3.4.1電阻－數(shù)字轉(zhuǎn)換法圖3-429單積分型計(jì)數(shù)結(jié)果的推導(dǎo)：由計(jì)數(shù)結(jié)果N即可得出被測(cè)電阻值單積分型計(jì)數(shù)結(jié)果的推導(dǎo)：由計(jì)數(shù)結(jié)果N即可得出被測(cè)電阻值30二、雙斜積分型A1用以增加積分器的輸入阻抗，記憶電容C0和參考電容Cr用以消除偏移電壓e1、e2、e3的影響。恒流源電流I一直不變。二、雙斜積分型A1用以增加積分器的輸入阻抗，記憶電容C0和參311.初始階段，S1、S4、S5閉合，

2.定時(shí)積分階段（T1），S3閉合，對(duì)IRx定時(shí)積分3.定壓積分階段（T2）,S2閉合，對(duì)IRN定值積分所以

，T2僅與T1和RN有關(guān)，I的大小及偏移電壓的影響均已消除，因而可實(shí)現(xiàn)較高精度的電阻測(cè)量。也可采用脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)出T2,從而得出Rx1.初始階段，S1、S4、S5閉合，2.定時(shí)積分階段（T323.4.2電感、電容－數(shù)字轉(zhuǎn)換法圖3-4-3同步分離法測(cè)量阻抗原理圖3.4.2電感、電容－數(shù)字轉(zhuǎn)換法圖3-4-3同步分離法測(cè)33圖3-4-4阻抗－電壓變換器圖3-4-4阻抗－電壓變換器34相敏檢波器

相敏檢波器35本章復(fù)習(xí)1.惠斯頓電橋輸出電壓怎么計(jì)算？2.平衡電橋法和不平衡電橋法的適用領(lǐng)域？3.在直流不平衡電橋中，差動(dòng)電橋與普通電橋相比較的優(yōu)點(diǎn)？4.恒流源供電與恒壓源供電相比的主要優(yōu)點(diǎn)有哪些？5.交流不平衡電橋的主要類型及輸出形式？6下列方法中，不能用來測(cè)量電容的是（）A.電阻平衡臂電橋B.歐姆法C.比例運(yùn)算法D.差動(dòng)脈沖調(diào)寬法本章復(fù)習(xí)1.惠斯頓電橋輸出電壓怎么計(jì)算？36第3章阻抗(電阻、電容、電感)的測(cè)量第3章阻抗(電阻、電容、電感)的測(cè)量37阻抗的測(cè)量方法電橋法阻抗—電壓轉(zhuǎn)換法阻抗—頻率轉(zhuǎn)換法阻抗—數(shù)字轉(zhuǎn)換法阻抗的測(cè)量方法電橋法阻抗—電壓轉(zhuǎn)換法阻抗—頻率轉(zhuǎn)換法阻抗—數(shù)383.1電橋法3.1.1惠斯頓電橋圖3-1-1普通的惠斯頓電橋平衡條件：戴維南定理：一個(gè)含有獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源及電阻的線性網(wǎng)絡(luò)的兩端，就其外部型態(tài)而言，在電性上可以用一個(gè)獨(dú)立電壓源V和一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電阻組合來等效。3.1電橋法3.1.1惠斯頓電橋圖3-1-1普通的惠斯393.1.2平衡電橋法圖3-1-2平衡電橋法測(cè)電阻用途：常用在實(shí)驗(yàn)室作為精密測(cè)量的一種方法。缺點(diǎn)：為獲得平衡狀態(tài)，需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)，不僅麻煩，而且測(cè)試速度慢，不能適應(yīng)大量、快速測(cè)量的需要，也不適合電阻傳感器的變化電阻的測(cè)量。原理：利用電橋平衡時(shí)滿足關(guān)系式：在三個(gè)阻抗已知時(shí)，可以求出另一阻抗的值3.1.2平衡電橋法圖3-1-2平衡電橋法測(cè)電阻用途：常40圖3-1-3測(cè)電容電橋測(cè)量損耗小的電容器測(cè)量損耗大的電容器圖3-1-3測(cè)電容電橋圖3-1-3測(cè)電容電橋測(cè)量損耗小的電容器測(cè)量損耗大的電容器41圖3-1-4測(cè)電感的電橋

測(cè)量低Q值電感測(cè)量高Q值電感圖3-1-4測(cè)電感的電橋測(cè)量低Q值電感測(cè)量高Q值電感423.1.3不平衡電橋法

用途：用于阻抗參數(shù)隨被測(cè)非電量變化的電阻式、電感式和電容式三種阻抗式傳感器。分類：直流不平衡電橋（恒壓源供電、恒流源供電）交流不平衡電橋有源電橋原理：將阻抗參數(shù)值隨被測(cè)非電量變化的阻抗式傳感器接入電橋，初始狀態(tài)即被測(cè)非電量為0時(shí)，讓電橋平衡即輸出電壓為0，當(dāng)被測(cè)非電量變化而不為0時(shí)，引起阻抗值變化，使電橋不平衡即輸出電壓不為0.這樣就把被測(cè)非電量變化轉(zhuǎn)換為電橋電壓變化。測(cè)出電橋電壓，就可求出非電量。3.1.3不平衡電橋法

用途：用于阻抗參數(shù)隨被測(cè)非電量變化433.1.3不平衡電橋法

一、直流不平衡電橋圖3-1-5電阻傳感器電橋的實(shí)例電橋單臂變化電橋相對(duì)兩臂同向變化電橋相鄰兩臂反向變化電橋四臂差動(dòng)工作R4R3R2R13.1.3不平衡電橋法

一、直流不平衡電橋圖3-1-5電44電橋恒壓源供電和恒流源供電的對(duì)比電橋恒壓源供電和恒流源供電的對(duì)比451.恒流源供電的優(yōu)點(diǎn)：（1）電橋從恒壓源供電改為恒流源供電，可以減小和消除非線性。（2）恒流源供電比恒壓源供電更能消除溫度變化的影響。2.差動(dòng)電橋（差動(dòng)式電阻傳感器接在橫跨電源的相鄰兩臂）優(yōu)點(diǎn)：（1）提高靈敏度（2）消除非線性1.恒流源供電的優(yōu)點(diǎn)：46例1為什么差動(dòng)式電阻傳感器應(yīng)接在橫跨電源的相鄰兩臂？對(duì)比可見，差動(dòng)式電阻傳感器接在橫跨電源的相鄰兩臂，可消除非線性。例1為什么差動(dòng)式電阻傳感器應(yīng)接在橫跨電源的相鄰兩臂？對(duì)比可47圖3-1-6兩種交流電橋二、交流不平衡電橋此三個(gè)式子都包含兩個(gè)參數(shù)的差與兩參數(shù)的和之比。故變壓器電橋和電阻平衡臂電橋都適合于差動(dòng)式阻抗傳感器圖3-1-6兩種交流電橋二、交流不平衡電橋此三個(gè)式子都包含48圖3-1-7有源電橋三、有源電橋有源電橋輸出電壓線性度高、靈敏度高、且具有很低的輸出阻抗，在測(cè)溫電路中得到了廣泛應(yīng)用。與單臂電橋相比，有源電橋輸出電壓成倍提高，且消除了單臂電橋的非線性。(a)(b)、(c)(d)圖3-1-7有源電橋三、有源電橋有源電橋輸出電壓線性度高、493.2阻抗－電壓轉(zhuǎn)換法3.2.1歐姆法（恒流法）--讓已知的標(biāo)準(zhǔn)恒定電流通過被測(cè)阻抗，把被測(cè)阻抗轉(zhuǎn)換為電壓來測(cè)量。

圖3-2-1電阻－電壓轉(zhuǎn)換基本電路適合測(cè)小電阻適合測(cè)大電阻3.2阻抗－電壓轉(zhuǎn)換法3.2.1歐姆法（恒流法）圖3-250圖3-2-2自舉式R-U轉(zhuǎn)換器自舉式R-U轉(zhuǎn)換器圖3-2-2自舉式R-U轉(zhuǎn)換器自舉式R-U轉(zhuǎn)換器51圖3-2-3恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器圖3-2-3恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器恒流橋式R-U轉(zhuǎn)換器52圖3-2-4反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器圖3-2-4反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器53例2采用下圖和一塊量程1mA的電流表及一個(gè)10K歐電位器構(gòu)成一個(gè)電子歐姆表，畫出電路圖，說明使用前調(diào)整方法，計(jì)算該歐姆表量程及電流表讀數(shù)0.5mA時(shí)的Rx值。

123456例2采用下圖和一塊量程1mA的電流表及一個(gè)10K歐電位器構(gòu)543.2.2比例運(yùn)算法圖3-2-5比例運(yùn)算法測(cè)量電路(a)(b)(c)3.2.2比例運(yùn)算法圖3-2-5比例運(yùn)算法測(cè)量電路(a)553.2.3差動(dòng)脈沖調(diào)寬法圖3-2-6差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路也稱脈沖調(diào)制電路，C1和C2為差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩端分別輸出高電平UE和低電平0。3.2.3差動(dòng)脈沖調(diào)寬法圖3-2-6差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路也稱56圖3-2-7脈沖調(diào)寬波形R1=R2圖3-2-7脈沖調(diào)寬波形R1=R257圖3-2-8差動(dòng)電感脈沖調(diào)寬電路圖3-2-8差動(dòng)電感脈沖調(diào)寬電路58濾波器截止頻率

方波基波頻率

為使保留直流分量（平均值），須濾除基波及諧波，故濾波器應(yīng)為低通濾波器，且截止頻率應(yīng)為

濾波器截止頻率方波基波頻率為使保留直流分量（平均值），593.3阻抗－頻率轉(zhuǎn)換法3.3.1調(diào)頻法圖3-3-1調(diào)頻電路原理：把R、L、C參量接入RC或LC振蕩回路，使振蕩電路頻率隨R、L、C變化。3.3阻抗－頻率轉(zhuǎn)換法3.3.1調(diào)頻法圖3-3-1調(diào)60調(diào)頻電路具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系，要求后續(xù)電路做適當(dāng)?shù)木€性處理。調(diào)頻電路只有在f0較大的情況下才能達(dá)到較高的精度調(diào)頻電路具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系，要求后續(xù)電路做適當(dāng)?shù)木€性處理。61圖3-3-2差頻電路優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可測(cè)量0.01pF甚至更小的變化量。缺點(diǎn)：振蕩頻率受溫度和電纜電容影響大。圖3-3-2差頻電路優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可測(cè)量0.01pF甚至623.3.2積分法圖3-3-3電阻－頻率轉(zhuǎn)換器3.3.2積分法圖3-3-3電阻－頻率轉(zhuǎn)換器63所以

轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)頻率f與ΔR成正比，具有線性關(guān)系所以643.4阻抗－數(shù)字轉(zhuǎn)換法3.4.1電阻－數(shù)字轉(zhuǎn)換法圖3-4-1單斜積分型一、單斜積分型（適合測(cè)高值電阻）3.4阻抗－數(shù)字轉(zhuǎn)換法3.4.1電阻－