檢測儀表的構(gòu)成和設計方法

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1、1,3.檢測儀表,第一節(jié)檢測儀表的構(gòu)成和設計方法,2,基本要求,掌握檢測儀表的組成 掌握信號變換的基本形式 信號變換的方法及相應的轉(zhuǎn)換元件 位移電信號 電阻電壓 電容電壓 電壓電流,*,3,3.1.1檢測儀表的組成和檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,1.檢測儀表的組成,檢測儀表就是在敏感元件的基礎上配上適當?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出易于被常規(guī)儀表或裝置接受的信號。,,,*,4,2.結(jié)構(gòu)形式,一體化型儀表: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。 如，體溫計 組合型儀表：敏感元件、信號變換和顯示裝置等是分開的，可以單獨使用，也可以組合使用，構(gòu)成檢測系統(tǒng)。 如，熱電偶

2、檢測系統(tǒng),*,5,3.1.2檢測儀表的設計方法 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 差動式變換 參比式變換 平衡（反饋）式變換 。,*,6,1.簡單直接式變換,（1）結(jié)構(gòu)形式,,對敏感元件的要求：將被測量轉(zhuǎn)換成電量 如，熱電偶、光電池。 如，熱敏電阻、氣敏電阻,*,7,如，粘貼式應變壓力傳感器。,,轉(zhuǎn)換電路,*,8,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 相應的轉(zhuǎn)換元件有應變片、電感、電容、霍爾元件、光電器件和熱敏元件等,*,9,（2）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：有源的和無源的,*,10,有源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路,,,,何時取

3、最大值,檢測電路,轉(zhuǎn)換電路,有效功率,,信息能量傳遞效率較低,*,11,有源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路,檢測電路,轉(zhuǎn)換電路,有效電壓,當負載電阻無窮大時，電壓靈敏度最高,*,12,無源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路,被測參數(shù)電阻、電容、電感阻抗電壓、電流,*,13,無源檢測元件與轉(zhuǎn)換電路,有功功率增量,比有源檢測元件的信息能量傳遞效率還低,何時取最大值,提高負載上有功功率的措施：電阻匹配、提高電阻相對變化量、提高短路功率。,*,14,電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路,,*,15,電橋轉(zhuǎn)換電路及等效電路,,何時轉(zhuǎn)換電路RL上獲得的有功功率最大？ RL的電壓靈敏度何時最大？,*,16,（3）簡單直接式變換式儀表的特點,準確度低

4、 線性度差 能量傳遞效率低 結(jié)構(gòu)簡短，工作可靠,*,17,2.差動式變換 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)相同但沿反方向變化的物理量（常見的是電路參數(shù)量）。 差動式結(jié)構(gòu)提高了檢測儀表（系統(tǒng)）的靈敏度和線性度，減小或消除了環(huán)境等因素的影響。,差動變換形式,*,18,差動式變壓器 差動式電容器,圖1,圖2,*,19,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 特點 不能克服敏感元件受環(huán)境的影響 靈敏度較高 線性度較高,*,20,3.參比式變換 參比式變換也稱補償式變換。 采用這種變換的目的是為了消除條件變化對敏感元件的影響 參比式變換采

5、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，又感受環(huán)境條件量，另一個只感受環(huán)境條件量。 舉例,結(jié)構(gòu)形式,*,21,測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面，圖中R1稱為工作應變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，圖中R2，稱為補償應變片。 在工作過程中補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。,工作原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋輸出無影響。,*,22,如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。,由上式可知，當R3、R4為常數(shù)時，Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。,*,23,當被測試件不承受應變時，R1和R

6、2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 上式中：可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當溫度升高或降低時，若R1t=R2t，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即,=,可見,輸出電壓USC與溫度無關(guān)。,*,24,當工作應變片感受應變時，只會引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應變。電橋?qū)a(chǎn)生相應輸出電壓：,由上式可知，電橋輸出電壓只與應變有關(guān)，與溫度無關(guān)。,*,25,參比式變換的特性分析 特點 能夠克服環(huán)境變化引起的誤差 不能克服非線性 兩個檢測元件的性能要求完全一致，否則會引起附加誤差,*,26,4.平衡（反饋）式變換 （1）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)（

7、包括轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路）為閉環(huán)式結(jié)構(gòu)。,*,27,（2）有差隨動變換 （3）無差隨動變換,*,28,,,爐溫自動記錄儀無差隨動變換,*,29,（4）平衡式變換的特性分析 有差隨動式變換,*,30,無差隨動式變換,*,31,3.1.3檢測儀表中常見的信號變換方法 1.位移與電信號的變換 溫度測量中 雙金屬片 t x 壓力測量中 彈性元件 p x 物位測量中 浮筒 H（f） x 流量測量中 轉(zhuǎn)子流量計 q x,*,32,典型的位移電信號轉(zhuǎn)換元件 （1）霍爾元件 （2）電容器 （3）差動變壓器,*,33,（2）電容器：電容式壓力（差壓）傳感器,,實質(zhì)：位移傳感器，它利用彈性膜片在壓力下變形所

8、產(chǎn)生的位移來改變傳感器的電容（此時膜片作為電容器的一個電極）。,*,34,*,35,電容等效電路,*,36,極板間的電容關(guān)系,,,電容等效電路,*,37,低壓側(cè)電容的縱斷面分析,電容與壓力pH、pL的關(guān)系,,*,38,撓度,,低壓側(cè)電容的縱斷面分析,電容與壓力pH、pL的關(guān)系,*,39,電容與壓力的關(guān)系,低壓側(cè)電容的縱斷面分析,電容與壓力pH、pL的關(guān)系,正比關(guān)系,*,40,此電容量的變化經(jīng)過適當?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測差壓的標準電信號輸出。變送器 這種傳感器的結(jié)構(gòu)堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達0.250.05；可以測量壓力和差壓。,*,41,該系列產(chǎn)品采用世界上最

9、成熟的電容傳感器制造技術(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)的壓力信號轉(zhuǎn)換成4-20mADC模擬信號。,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,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,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,兩個電容器的電容量相等.當兩側(cè)壓力不一致時,致使測量膜片產(chǎn)生位移,其位移量和壓力差成正比,這種位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動電容.由電子線路把差動電容轉(zhuǎn)換成4-20mADC的電流信號.,*,42,(3)差動變壓器-互感式傳感器 差動變壓器是利用互感原理把位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種常用的轉(zhuǎn)換元件。 差動變壓器本身是一

10、個變壓器，初級線圈輸入交流電壓，次級線圈感應出電信號，當互感受外界影響變化時，其感應電壓也隨之起相應的變化，由于它的次級線圈接成差動的形式，故稱為差動變壓器。,*,43,結(jié)構(gòu)1,,,繞線管,線圈組合,銜鐵,+,-,+,-,*,44,(e)、(f) 變面積式差動變壓器,(a)、(b) 變間隙式差動變壓器,(c)、(d) 螺線管式差動變壓器,結(jié)構(gòu)2,*,45,工作原理 差動變壓器上下兩只鐵芯上均有一個初級線圈W1（也稱勵磁線圈）和一個次級線圈W2（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Usr，兩個次級線圈則按電勢反相串聯(lián)。,,*,46,*,47,*,48,e=e1-e2,*,4

11、9,匝數(shù)為W的線圈,鐵芯,銜鐵,,（4）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,電感器-自感式傳感器,*,50,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： W:線圈的匝數(shù) I:線圈中的電流 ：磁路磁通 RM磁阻，它包括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； li 各段鐵芯長度； mi 各段鐵芯的磁導率； Si 各段鐵芯的截面積； Rd空氣隙的磁阻， Rd = 2d/m0S。 S:氣隙磁通截面積,,所謂磁阻，它與電阻的含義相仿，磁阻是

12、表示磁路對磁通所起的阻礙作用，以符號Rm表示。,*,51,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，計算時可忽略不計，這時有 當線圈及鐵芯一定時，W 為常數(shù)，如果改變或S 時，L值就會引起相應的變化電感傳感器的工作原理。,,,*,52,,由于改變和S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變磁阻式傳感器。 電感式傳感器分為: 變氣隙厚度的傳感器 變氣隙面積的傳感器 使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器,*,53,可變磁阻式變面積型傳感器,*,54,可變磁阻式變氣隙型傳感器,*,55,（4）其他轉(zhuǎn)換元件或方法 光學法 首先將位移量轉(zhuǎn)換成光強的變化，進一步用

13、光敏元件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 反射法 透射法,,*,56,2.電阻與電壓（或電流）的變換 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，這是典型的串聯(lián)式轉(zhuǎn)換電路；如下圖： 另一種方法是利用電橋進行轉(zhuǎn)換,*,57,所以，直流電橋平衡條件：R1R4=R2R3 或 相對兩臂電阻的乘積相等, 或相鄰兩臂電阻的比值應相等。,,電橋以直流電源供電，故稱為直流電橋。,(1)不平衡電橋的電壓靈敏度,電壓靈敏度:單位電阻相對變化量引起電橋輸出電壓的大小。,*,58,*,59,等臂電橋、單臂工作,,,初始狀態(tài)時，R1=R2=R3=R4=R，稱為等臂電橋。,,電壓靈敏度,近似線

14、性關(guān)系,全等臂四分之一電橋,*,60,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。 但提高電源電壓使應變片和橋臂電阻功耗增加，溫度誤差增大。一般電源電壓取36V為宜。,,,,*,61,輸出電壓非線性誤差 上面在討論電橋的輸出特性時，應用了近似條件，才得出線性關(guān)系。 全等臂四分之一電橋輸出電壓的精確值為 相對非線性誤差為：,,*,62,按冪級數(shù)展開,,,,,當=10%時,得到非線性誤差=5%,*,63,第一對稱電橋、單臂工作 R1=R2，R3=R4，則稱為第一對稱電橋。 設R1有一增量R，電橋輸出電壓為,輸出電壓與應變成正比。,第一對稱電橋的輸出電壓與等臂電橋相同，非線性誤

15、差相同。,,電壓靈敏度,*,64,一般消除非線性誤差的方法是：采用差動電橋 如果兩個應變片同時參與測量，則稱為半橋測量。 半橋差動 四個橋臂都由應變片組成，且都產(chǎn)生適當?shù)碾娮枳兓礊槿珮驕y量。 全橋差動,,采用差動電橋是消除非線性誤差的有效措施。,*,65,等臂電橋、雙臂工作半橋差動,相鄰橋臂，電阻一個增加、一個減少,將兩個工作應變片接入電橋的相鄰臂，并使它們一個受拉，另一個受壓，稱為半橋差動電路.,*,66,電橋輸出電壓為 設平衡時R1=R2=R3=R4=R，R1=R2 =R,帶入上式化簡則 結(jié)論：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。,線性關(guān)系,,電壓靈敏度,*,6

16、7,等臂電橋、四臂工作全橋差動,四臂都是應變片，且相鄰電阻變化相反,*,68,設電橋各臂均有相應的電阻變化量大小為R1、R2、R3、R4時 R1=R2=R3=R4 =R,此時電橋輸出可寫為,線性關(guān)系,結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度可提高為單臂橋的4倍，并且消除了非線性誤差。,,電壓靈敏度,*,69,*,70,舉例1：,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變片（K=2），如圖所示。已知L=100mm、b=11mm、t=3mm，E=2*104N/mm2。現(xiàn)將四個應變片接入直流電橋中，電橋電源電壓U=6V。已知應變計算公式為 ，當力F=0.5Kg時，求：,,（1

17、）根據(jù)應變片的位置，畫出相應的測量橋路原理圖（要求輸出電壓靈敏度最高）； （2）求各個應變片的應變,（3）求電阻的相對變化量,（4）若電橋供電電壓U=6V， 求橋路的輸出電壓。,*,71,（1）測量橋路原理圖,*,72,解：,（2）應變絕對值相等：,（3）電阻相對變化量：,（4）等臂全橋電路的輸出電壓：,*,73,采用四片相同的金屬絲應變片（K=2），將其貼在實心圓柱形測力彈性元件上。如圖所示，力F=1000Kg，圓柱斷面半徑r=1cm，彈性模量E=2107 N/cm2 ，泊松比=0.3。 （1）根據(jù)應變片在圓柱上的粘貼位置，畫出相應的測量橋路原理圖（要求輸出電壓靈敏度最高）； （2）求各個應

18、變片的應變及電阻相對變化量。 （3）若電橋供電電壓U=6V，求橋路輸出電壓。 提示：應力與應變的關(guān)系為： 電阻R1、R2的應變關(guān)系為2=-1,舉例2：,，,*,74,(1) R1、R3沿軸向在力F作用下產(chǎn)生正應變，R2、R4沿圓周方向帖則產(chǎn)生負應變。從而組成全橋測量電路可以提高輸出電壓靈敏度。,,*,75,（2）各個應變片的應變及電阻的相對變化量。,,*,76,(3)橋路的輸出電壓,,*,77,電流靈敏度：單位被測電阻變化時所獲得的輸出電流值。,(2)不平衡電橋的電流靈敏度,,(3)不平衡電橋的特性分析,*,78,電橋的電源電壓和功率 電橋的工作方式 電橋的阻值,(4)不平衡電橋的設計,

19、*,79,電橋的電源電壓和功率,從敏感元件的允許耗散功率PTg考慮電源電壓的大小。,電源電壓,電源功率,*,,80,電橋的工作方式,提高靈敏度、減小非線性 ：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： 電源的功耗應盡量小,*,81,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 第一對稱、單臂工作,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。,*,82,電橋的電阻,a）電壓輸出：根據(jù)減小電源功耗的原則選擇電阻 b）電流輸出： R10和負載電阻RL已知，負載電阻和電橋電阻需達到最佳匹配。 負載電阻不確定時，在電源功耗允許的條件下，選取

20、小的R30，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。,*,83,(6)交流電橋 電橋平衡時的條件為 Z1Z4 = Z2Z3,,電橋以交流電源供電,*,84,*,85,3.電容電壓的變換 （1）橋式電路(調(diào)幅電路） 單臂接法 平衡條件 當Cx發(fā)生變化時，輸出電壓,*,86,差動接法 將電容式傳感器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二次線圈。 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。,調(diào)幅電路,*,87,當交流電橋處于平衡位置時，電容傳感器起始電容量C1與C2相等，兩者容抗相等（忽略電容器內(nèi)阻）。

21、 電容傳感器工作在平衡位置附近，有電容變化量輸出時C1C2，則Z1Z2，則 差動式,,,,,,*,88,次級線圈感應電動勢為E， 則傳感器空載時輸出電壓為 工作時,線性關(guān)系,*,89,2）輸出電壓除與被測量變化d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。 3）因電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高（MW級），其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。,1）輸出電壓Usc的幅值與被測量成正比調(diào)幅電路。,*,90,變壓器電橋,*,91,（2）差動脈沖寬度調(diào)制線路,工作原理：傳感器的電容器充放電時，電容量的變化使電路輸出的脈沖寬度隨之變化，經(jīng)低通濾波器得到與被測量變化相應的直流信號

22、。,工作過程, 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)。,初值C1=C2,1,,0,1,0,,*,92,時序圖,設C1C2,C1充電速度慢于C2充電速度，UA持續(xù)時間長于UB的持續(xù)時間。所以通過檢測輸出脈沖的寬度，就可以反映電容量的變化。,C1=C2,C1C2,,,,,,,*,93,C1與C2的變化由被測量變化引起。經(jīng)A與B 兩端輸出電壓UAB，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Usc，表示為 設R1 = R2 = R，則有 結(jié)論：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（C1與C2

23、為差動式）。,,,,*,94,設電容C1和C2的極間距離和面積分別為 d1、d2和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對差動式變極距型和變面積型電容式傳感器可得 特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。這是十分可貴的性質(zhì)。,*,95,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。 差動脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求； 經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。,說明：,*,96,同相 輸入端,反相 輸入端,兩個重

24、要法則：,1、虛短：兩輸入端的電位差為零。 即： vd = vIP - vIN =0,2、虛斷：流入兩輸入端的電流為零。 即： id =0, id =0iF = i1, vP = vN =0 ,vO = - iFRF,,（3）運算放大器式電路,知識回顧：,*,97,(3)運算放大器式電路 將電容傳感器接于放大器反饋回路，輸入電路接固定電容。構(gòu)成反相放大器。 由運算放大器工作原理可知，在開環(huán)放大倍數(shù)為A和輸入阻抗較大的情況下，有 若把Cx=eA/dx代入 負號表示輸出電壓usc與電源電壓u相位相反。,*,98,突出特點： 克服了變極距型電容傳感器的非線性。從原理上保障了變極距型電容

25、式傳感器的線性。 USC與C0、U有關(guān)，所以需要高精度交流穩(wěn)壓源、高質(zhì)量電容C0 特別適合于結(jié)構(gòu)上不能用差動電容傳感器的場合。,(4)諧振電路（自學）,,*,99,4.電壓電流轉(zhuǎn)換 （1）電壓電流的轉(zhuǎn)換 由圖可得 輸出電流與 輸入電壓之 間的關(guān)系為：,*,100,1)最常見的電壓電流轉(zhuǎn)換電路 當輸入電 壓為 時 輸出電流 為：,*,101,--2)另一個電壓電流轉(zhuǎn)換電路,*,R1=R2=R3=R4 R4 RL,102,（2）電流電壓的轉(zhuǎn)換 1）輸出電壓與 輸入電流之 間的關(guān)系為：,*,103,（1）電流電壓的轉(zhuǎn)換 2）輸出電壓與 輸入電流之 間的關(guān)系為：,*,104,檢測儀表的組成 信號變換的基本形式和信號變換的方法及相應的轉(zhuǎn)換元件 位移電信號(利用霍爾元件、電容器、差動變壓器、電感等) 電阻電壓（利用電橋） 電容電壓（電橋、脈寬調(diào)制電路、運放） 電壓電流（運放） 電流電壓（運放）,本節(jié)小結(jié),*,105,作業(yè),教材P339：1、2、5,*,