检测技术及传感器自平衡电桥精选文档.ppt

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1、检测技术及传感器自平检测技术及传感器自平衡电桥衡电桥本讲稿第一页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l简单变换中的简单变换中的阻抗匹配阻抗匹配l有源元件有源元件 RL=RIl无源元件无源元件 RP0=2RLl电桥电桥 等效电路等效电路本讲稿第二页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥设计不平衡电桥设计l电压输电压输出出时时，单单臂工作的臂工作的电压电压灵敏度存在一定的非灵敏度存在一定的非线线性，双臂工作、四臂工作的性，双臂工作、四臂工作的电桥电桥是是线线性的。性的。l输输出出值值均与均与 和和 E 成正比。成正比。l单单臂工作臂工作电桥

2、电桥的灵敏度最低，双臂工作的灵敏度最低，双臂工作电桥电桥、四臂工作、四臂工作电电桥桥的灵敏度逐的灵敏度逐渐渐提高，非提高，非线线性性误误差也小。差也小。l电压输电压输出出值值与与电电阻的大小无关，阻的大小无关，仅仅与与电电阻相阻相对变对变化量化量 有关；有关；电电流流输输出出值值与与电电阻阻值值及其相及其相对变对变化量都有关。化量都有关。本讲稿第三页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥设计不平衡电桥设计l电桥结电桥结构构由由检测检测元件、元件、变换变换元件的数量和构成方式决定元件的数量和构成方式决定l单单臂工作臂工作单单臂工作第二臂工作第二对对称不平衡称不平

3、衡电桥设计电桥设计l双臂工作双臂工作/四臂工作四臂工作差差动结动结构构 变变化相同放化相同放对对臂、臂、变变化相反放化相反放邻邻臂臂参比参比结结构构 变变化相同放化相同放邻邻臂臂l桥桥臂臂电电阻阻l供供电电压电电压本讲稿第四页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥设计不平衡电桥设计l电压输出（电压灵敏度）电压输出（电压灵敏度）l相对变化率相对变化率l输出电压输出电压l非非线线性性误误差差/最大化输出最大化输出l供电电压供电电压本讲稿第五页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥不平衡电桥l电压灵敏度电压灵敏度本讲稿第六页，共三十

4、八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥设计不平衡电桥设计l电流电流/功率输出（电流灵敏度）功率输出（电流灵敏度）一种简化的设计方法（一般电桥）一种简化的设计方法（一般电桥）l相对变化率相对变化率l输出电压输出电压l非非线线性性误误差差/最大化输出最大化输出l供电电压供电电压l阻抗匹配阻抗匹配本讲稿第七页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥不平衡电桥l电流灵敏度电流灵敏度本讲稿第八页，共三十八页第第部分部分基础知识基础知识第二章检测元件第二章检测元件与检测技术与检测技术自平衡电桥自平衡电桥仪表放大器仪表放大器本讲稿第九页，共三十八页M

5、&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥的应用不平衡电桥的应用l参比式变换参比式变换l应变片热输出的双丝半桥法和补偿块法应变片热输出的双丝半桥法和补偿块法l电桥（平衡电桥）电桥（平衡电桥）l自平衡电桥自平衡电桥l其它变换电路其它变换电路l仪表放大器仪表放大器本讲稿第十页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥的应用不平衡电桥的应用l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法l桥路补偿法桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原理

6、来达到补偿利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿-双丝半桥式双丝半桥式-补偿块法补偿块法本讲稿第十一页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l不平衡电桥的应用不平衡电桥的应用l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法l桥路补偿法桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿理来达到补偿-双丝半桥式双丝半桥式-补偿块法补偿块法DdP本讲稿第十二页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电桥（平

7、衡电桥）电桥（平衡电桥）l不平衡电桥不平衡电桥l单臂电桥的电压输出与单臂电桥的电压输出与 为非线性关系为非线性关系l影响输出不确定度的因素多影响输出不确定度的因素多l桥路供电电压也影响输出桥路供电电压也影响输出本讲稿第十三页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电桥（平衡电桥）电桥（平衡电桥）l利用电桥平衡原理构成的电测仪器，不仅可以测利用电桥平衡原理构成的电测仪器，不仅可以测电阻，也可以测电容、电感。并可通过这些物理电阻，也可以测电容、电感。并可通过这些物理量的测量来间接测量非电学量，例如温度、压力量的测量来间接测量非电学量，例如温度、压力等，因此电桥电路在自动化仪表

8、和自动控制中有等，因此电桥电路在自动化仪表和自动控制中有着广泛的应用。着广泛的应用。本讲稿第十四页，共三十八页Charles WheatstoneM&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电桥（平衡电桥）电桥（平衡电桥）l惠斯登电桥（惠斯登电桥（Wheatstone Bridge）l1843 年年 Charles Wheatstonel当电桥平衡时当电桥平衡时l与电桥供电电压无关与电桥供电电压无关l一般用于电阻的测量一般用于电阻的测量l也适用于电抗的测量也适用于电抗的测量本讲稿第十五页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电桥（平衡电桥）电桥（平衡电桥）l其它电

9、桥其它电桥本讲稿第十六页，共三十八页Charles WheatstoneM&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电桥（平衡电桥）电桥（平衡电桥）l测量方法简明测量方法简明l仪器结构简单，操作方便仪器结构简单，操作方便l测量的灵敏度和精确度较高测量的灵敏度和精确度较高l需要手工调试需要手工调试l实际检测元件均非简单元件，实际检测元件均非简单元件，采用一种电桥无法完成测量采用一种电桥无法完成测量本讲稿第十七页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l实际电容检测元件实际电容检测元件l等效电路等效电路lC 为传感器电容为传感器电容lRP 为低频损耗并联电阻（包括极板简漏

10、电和介质耗损）为低频损耗并联电阻（包括极板简漏电和介质耗损）lRS 为高频、高湿工作时的串联损耗电阻（包括导线、为高频、高湿工作时的串联损耗电阻（包括导线、极板间和金属衬支座等损耗电阻）极板间和金属衬支座等损耗电阻）lL 为电容器及引线电感为电容器及引线电感lCP 为寄生电容、为寄生电容、边缘效应电容边缘效应电容CRSLCPRP本讲稿第十八页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l实际电感检测元件实际电感检测元件l等效电路等效电路lL 线圈电感线圈电感lRe 铁心涡流损耗铁心涡流损耗lRc 线圈铜损电阻线圈铜损电阻lRh(f)磁滞损耗电阻磁滞损耗电阻(是频率的函数是频率的

11、函数)lC 线圈寄生电容线圈寄生电容LCRcReRh(f)本讲稿第十九页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l自平衡电桥自平衡电桥l实际应用实际应用本讲稿第二十页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l自平衡电桥自平衡电桥l单臂工作不平衡电桥单臂工作不平衡电桥本讲稿第二十一页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l自平衡电桥自平衡电桥l单臂工作自平衡电桥单臂工作自平衡电桥本讲稿第二十二页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l自平衡电桥自平衡电桥l单臂工作自平衡电桥单臂工作自平衡电桥本讲稿第二十三页，共三

12、十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l自平衡电桥自平衡电桥l单臂工作自平衡电桥单臂工作自平衡电桥l输出电压与电阻的相对变化率为线性关系输出电压与电阻的相对变化率为线性关系l适用于电阻、电容和电感构成的电抗网络的测量适用于电阻、电容和电感构成的电抗网络的测量本讲稿第二十四页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l自平衡电桥自平衡电桥l单臂工作自平衡电桥单臂工作自平衡电桥l例：电容例：电容-电压转换电压转换本讲稿第二十五页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l自平衡电桥自平衡电桥l实际应用实际应用本讲稿第二十六页，共三十八页M&T,I

13、 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l其它变换电路其它变换电路l脉宽调制脉宽调制本讲稿第二十七页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l其它变换电路其它变换电路l调频电路调频电路 l振荡器谐振频率振荡器谐振频率 l频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小。但此时系统是非线性的，不易校正。因此必须加入小。但此时系统是非线性的，不易校正。因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化。鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化。l调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏

14、度，可以测量高至高至 0.01 m级位移变化量。级位移变化量。本讲稿第二十八页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l其它变换电路其它变换电路l电压电压电流电流本讲稿第二十九页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l其它变换电路其它变换电路l电压电压电流电流l电流电流电压电压本讲稿第三十页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l其它变换电路其它变换电路l电压电压电流电流l电流电流电压电压本讲稿第三十一页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l其它变换电路其它变换电路l常用的位移电信号变换常用的位移电信号变换

15、l位移转变成电容位移转变成电容位移量很小，如膜片位移量很小，如膜片l利用霍尔元件利用霍尔元件l利用差动变压器利用差动变压器差动变压器是利用互差动变压器是利用互感原理把位移转换成感原理把位移转换成电信号的一种常用的转换元件电信号的一种常用的转换元件本讲稿第三十二页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l其它变换电路其它变换电路l常见的位移信号常见的位移信号l温度测量中双金属片温度测量中双金属片txl压力测量中弹性元件压力测量中弹性元件pxl物位测量中浮筒物位测量中浮筒H(f)xl流量测量中转子流量计流量测量中转子流量计qx本讲稿第三十三页，共三十八页M&T,I 检测元件与检

16、测技术检测元件与检测技术l仪表放大器仪表放大器l差分放大电路差分放大电路l单运放构成的差分放大电路单运放构成的差分放大电路本讲稿第三十四页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l仪表放大器仪表放大器l差分放大电路差分放大电路l用电压跟随器提高输入阻抗用电压跟随器提高输入阻抗本讲稿第三十五页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l仪表放大器仪表放大器l三运放构成的仪表放大器三运放构成的仪表放大器本讲稿第三十六页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l仪表放大器仪表放大器l三运放构成的仪表放大器三运放构成的仪表放大器l能够对差分信号、单端信号进行放大能够对差分信号、单端信号进行放大l可以方便地构成带滤波功能的防大电路可以方便地构成带滤波功能的防大电路l抑制共模信号（共模抑制比高）抑制共模信号（共模抑制比高）本讲稿第三十七页，共三十八页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l小结小结l不平衡电桥的设计不平衡电桥的设计l电桥的基本原理电桥的基本原理l平衡条件平衡条件l不确定性分析不确定性分析l自平衡电桥的形式和公式推导自平衡电桥的形式和公式推导l其它变换电路其它变换电路l仪表放大器的基本原理仪表放大器的基本原理本讲稿第三十八页，共三十八页