差动传感器和测量电桥基本介绍.ppt
差动传感器和测量电桥差动传感器和测量电桥2差动测量系统结构差动测量系统结构 作用：作用：提高灵敏度提高灵敏度减少非线性误差减少非线性误差减少干扰的影响减少干扰的影响差动测量系统常用于电参量传感器（电阻式、电容式、电感式传感器）差动测量系统常用于电参量传感器（电阻式、电容式、电感式传感器）3差动电容传感器差动电容传感器n变气隙式、变面积式和变介电常数式三种电容传感器变气隙式、变面积式和变介电常数式三种电容传感器均可制成差动电容传感器。由于变气隙式电容传感器均可制成差动电容传感器。由于变气隙式电容传感器的非线性严重，实际上是很少使用的，通常制成差动的非线性严重，实际上是很少使用的，通常制成差动型式，其常用结构见图。型式，其常用结构见图。变气隙式差动电容传感器原理变气隙式差动电容传感器原理差动电容式传感器差动电容式传感器忽略忽略3次方以上非线性项次方以上非线性项 灵敏度灵敏度同单个电容式传感器的灵敏度相比增加了同单个电容式传感器的灵敏度相比增加了1倍倍 变气隙式差动电容传感器仅含奇次方的非线性，因此其线性度得到变气隙式差动电容传感器仅含奇次方的非线性，因此其线性度得到很大程度的改善。很大程度的改善。5脉冲调宽电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路的输出波形脉冲调宽电路的输出波形差动式电感传感器差动式电感传感器 由由于于自自感感传传感感器器具具有有初初始始电电感感，线线圈圈流流向向负负载载的的电电流流不不为为零零，衔衔铁铁永永远远受受有有吸吸力力，线线圈圈电电阻阻受受温温度度影影响响引引起起温温度度误误差差，灵灵敏敏度度低低等等缺缺点。因此，实际中应用较少，常用点。因此，实际中应用较少，常用差动自感传感器差动自感传感器。差差动动自自感感传传感感器器：用用两两个个相相同同的的传传感感线线圈圈共共用用一一个个衔衔铁铁,构构成成差差动动式电感传感器式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。减小测量误差。7 变气隙式差动自感传感器原理见图变气隙式差动自感传感器原理见图.它由一个公共衔它由一个公共衔铁和上、下两个对称的线圈铁和上、下两个对称的线圈L1和和L2组成。组成。当衔铁向上位移当衔铁向上位移 ，在差动自感传感器中，电感，在差动自感传感器中，电感变化量：变化量：变气隙式变气隙式差动自感传感器的特性分析差动自感传感器的特性分析上式中第一项是线性项，其灵敏度为：上式中第一项是线性项，其灵敏度为：可见，差动自感传感器的灵敏度是简单自感传感器的可见，差动自感传感器的灵敏度是简单自感传感器的2倍。倍。差动自感传感器仅含奇次方非线性项，其三次方非线性误差为：差动自感传感器仅含奇次方非线性项，其三次方非线性误差为：非线性得到很大的改善。非线性得到很大的改善。同理，变面积式和螺管式差动自感传感器也能得到提高灵敏度和改善线性度同理，变面积式和螺管式差动自感传感器也能得到提高灵敏度和改善线性度的同样的结论。的同样的结论。变气隙式差动自感传感器变气隙式差动自感传感器8n 压力传感器压力传感器图4-33 BYM型压力传感器9电阻传感器差动结构示意图电阻传感器差动结构示意图电阻传感器原理：电阻传感器原理：10梁臂式力传感器梁臂式力传感器11导线张力传感器导线张力传感器12 电桥:将电阻（电感、电容或阻抗）参量的微弱变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。电桥特点:电路简单，较高的准确度和灵敏度，广泛使用 电桥分类：（4种方法）按照激励电源的性质：直流与交流电桥；按照输出方式：平衡式电桥与不平衡式电桥。与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。按照电源供电的方式：恒压源供电电桥和恒流源供电电桥。按照电桥的结构：单臂电桥、差动半桥、差动全桥。测量电桥测量电桥13 Z1,Z2,Z3,Z4 Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。为四个桥臂阻抗。A A，C C两端接电压源，则在两端接电压源，则在B B，D D两两端输出不平衡电压端输出不平衡电压U UBDBD分别为：分别为：恒压源供电：恒压源供电：恒流源供电：恒流源供电：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2测量电桥的基本工作原理测量电桥的基本工作原理Z0Z电源ABCZ0Z0Z0DU将电桥的一个桥臂阻抗将电桥的一个桥臂阻抗接电参数型传感器的变接电参数型传感器的变换器换器(Z(Z0 0Z)Z)，其余三，其余三个臂的阻抗均恒定个臂的阻抗均恒定Z Z2 2=Z=Z3 3=Z=Z4 4=Z=Z0 0，单臂电桥单臂电桥 两个桥臂与电参数型传感器的两两个桥臂与电参数型传感器的两个差动变换器相接，则构成差动个差动变换器相接，则构成差动半桥，即两个桥臂阻抗发生差动半桥，即两个桥臂阻抗发生差动变化变化(Z(Z0 0ZZ，)其余两个臂其余两个臂的阻抗均恒定的阻抗均恒定Z Z3 3=Z=Z4 4=Z=Z0 0，差动半桥差动半桥 UZ0ZABCZ0Z0Z0 ZD电源若四个桥臂阻抗均为电参数若四个桥臂阻抗均为电参数型传感器的四个差动变换器，型传感器的四个差动变换器，且四个桥臂阻抗发生差动变且四个桥臂阻抗发生差动变化化(Z(Z0 0ZZ，Z Z0 0 ZZ，Z Z0 0ZZ，Z Z0 0 Z)Z)，则构成，则构成差动全桥电路差动全桥电路 Z0Z电源ABCZ0ZZ0 ZZ0 ZDU15电桥的静态特性（差动半桥）输入差动变化：输入差动变化：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2差动半桥差动半桥可得：可得：16电桥的静态特性单臂电桥：单臂电桥：差动半桥：差动半桥：差动全桥：差动全桥：输入量输入量ZZ相同的情况下，差动半桥的输出近似为单臂电桥的两倍，差相同的情况下，差动半桥的输出近似为单臂电桥的两倍，差动全桥是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。动全桥是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电17电桥灵敏度单臂电桥：单臂电桥：差动半桥：差动半桥：差动全桥：差动全桥：灵敏度：灵敏度：差动半桥的灵敏度近似为单臂电桥的两倍，差动全桥的灵敏度是差动半差动半桥的灵敏度近似为单臂电桥的两倍，差动全桥的灵敏度是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。单臂电桥的灵敏度不为常数，具有非线性；单臂电桥的灵敏度不为常数，具有非线性；差动半桥的灵敏度和差动全桥的灵敏度与差动半桥的灵敏度和差动全桥的灵敏度与Z Z无关且为常数，是理想的无关且为常数，是理想的直线。直线。恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电18电桥对同符号干扰量的补偿特性(温度补偿）单臂电桥：单臂电桥：差动全桥：差动全桥：差动半桥：差动半桥：差动电桥分子中没有差动电桥分子中没有Z ZT T，消除了，消除了Z ZT T对被测作用量对被测作用量Z Z的影响；分母中存的影响；分母中存在干扰量在干扰量Z ZT T，但以比值，但以比值Z ZT T/Z/Z很小很小,对输出影响很小。对输出影响很小。恒流源供电的差动全桥，输入输出特性没有干扰量，理论上无温度误差。恒流源供电的差动全桥，输入输出特性没有干扰量，理论上无温度误差。恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电19电桥结论电桥结论 差动传感器与差动电桥相配合，能使测量系统具有更加优差动传感器与差动电桥相配合，能使测量系统具有更加优良的特性；良的特性；与单臂电桥相比，差动电桥与单臂电桥相比，差动电桥灵敏度更高、非线性误差更小，灵敏度更高、非线性误差更小，对同符号干扰有低偿作用；对同符号干扰有低偿作用；结论：结论：恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差，恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差，对于易受温度对于易受温度影响传感器，可采用电流源供电。影响传感器，可采用电流源供电。20变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式的交流电桥如图所示。电桥的两臂变压器式的交流电桥如图所示。电桥的两臂 Z1 和和Z2 为为差动自感传感器中的两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器差动自感传感器中的两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次线圈的两半（每一半的电压为二次线圈的两半（每一半的电压为 ），输出电压取自），输出电压取自A、B两点。假定两点。假定0点为参考零电位，则点为参考零电位，则A点的电压为：点的电压为：B点的电位为：点的电位为：则有输出电压则有输出电压当衔铁处于中心位置时，由于两线圈完全对称，因此当衔铁处于中心位置时，由于两线圈完全对称，因此 ，代入上式，得：，代入上式，得：同理，当传感器衔铁上移同样大小的距离时，可推得：同理，当传感器衔铁上移同样大小的距离时，可推得：比较上两式可知，当衔铁向上移动和向下移动相同距离时，其输出大小相等，方比较上两式可知，当衔铁向上移动和向下移动相同距离时，其输出大小相等，方向相反。由于电源电压向相反。由于电源电压 是交流，所以尽管式中有正负号，还是无法加以分辨。是交流，所以尽管式中有正负号，还是无法加以分辨。当衔铁向下移动时，下面线圈的阻抗增加，即当衔铁向下移动时，下面线圈的阻抗增加，即 ，而上面线圈的阻抗，而上面线圈的阻抗减小，即减小，即 ，故此时的输出电压为：，故此时的输出电压为：22带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥带相敏整流的测量电桥带相敏整流的测量电桥当当衔铁处于中于中间位置位置时，电桥处于平衡状于平衡状态，输出出电压 ；当当衔铁上移，使上上移，使上线圈阻抗增大，圈阻抗增大，而下，而下线圈阻抗减少圈阻抗减少 。设输入交流入交流电压 为正半周正半周，即，即A点点为正，正，B点点为负，则二极管二极管VD1、VD4导通，通，VD2、VD3截止。在截止。在AECB支路中，支路中，C点点电位由于位由于 的增大而比的增大而比平衡平衡时C点的点的电位降低；在位降低；在AFDB支路中，支路中，D点点电位由于位由于 的降低而比的降低而比平衡平衡时D点的点的电位增加，即位增加，即D点点电位高于位高于C点点电位，此位，此时直流直流电压表正向偏表正向偏转。23带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥带相敏整流的测量电桥带相敏整流的测量电桥设输入交流入交流电压 为负半周半周，即，即A点点为负，B点点为正，正，则二极管二极管VD2、VD3导通，通，VD1、VD4截止。在截止。在BCFA支路中，支路中，C点点电位由于位由于 的减的减小而比平衡小而比平衡时降低。降低。在在BDEA支路中，支路中，D点电位由于点电位由于 的增加而比的增加而比平衡时的电位增加。所以仍然是平衡时的电位增加。所以仍然是D点电位高于点电位高于C点电位，直流电压表正向点电位，直流电压表正向偏转。只要衔铁上移，不论输入电压是正半周还是负半周，电压表总是偏转。只要衔铁上移，不论输入电压是正半周还是负半周，电压表总是正向偏转，即输出电压正向偏转，即输出电压 总为下正上负。总为下正上负。24直流电桥测量系统直流电桥测量系统 测量放大器：测量放大器：2 2个高输入阻抗放大器差动放大器个高输入阻抗放大器差动放大器25小结小结|差动传感器差动传感器(电阻、电感、电容电阻、电感、电容)|差动测量系统的调理电路差动测量系统的调理电路 电桥（单臂电桥、差动半桥，差动全桥电桥（单臂电桥、差动半桥，差动全桥)差动测量系统特点（提高灵敏度，减少线性误差）差动测量系统特点（提高灵敏度，减少线性误差）
