傳感與檢測技術(shù)1-2-電橋電路

1、1.2 傳感器基本知識及電橋電路1.2.1 傳感器的分類1.2.2 傳感器的特性參數(shù)1.2.3 傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢1.2.4 傳感器中常用的基本測量電路 電橋電路 傳感器是一門知識密集型技術(shù)，傳感器原理各異，學科廣泛，種類繁多，一般可用如下方法分類:（1）按照被測物理量分類，可分為溫度、壓力、濕度、位移、流量、液位傳感器等。（2）按照工作原理分類，可分為參量傳感器（如電阻傳感器、電容傳感器等）、發(fā)電傳感器（如光電式傳感器、熱電偶傳感器等）、脈沖傳感器（如光柵、磁柵式傳感器等）及特殊傳感器（如光纖傳感器、超聲波傳感器等）。 （3）按照輸出信號的性質(zhì)可分為模擬式和數(shù)字式傳感器。1.2.1 傳感器的

2、分類（4）按傳感器輸出能量關(guān)系分類，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱換能器。通常配合有電壓測量電路和放大器。如:壓電式、熱電式、電磁式傳感器等。無源傳感器又稱為能量控制型傳感器。被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。所以必須具有輔助能源(電能)。如:電阻式、電容式和電感式傳感器等。（5）其他：按用途、學科、功能等進行分類。1.2.1 傳感器的分類理想的傳感器應(yīng)該具有如下特點：（1）傳感器的輸出量僅對特定的輸入量敏感。（2）傳感器的輸出量與輸入量呈惟一的、穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，且最好是線性關(guān)系。（3）傳感器的輸出量可實

3、時反映輸入量的變化。在實際應(yīng)用中，傳感器是在特定而具體的環(huán)境中使用的，因此傳感器本身的結(jié)構(gòu)、電子電路器件、電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各種環(huán)境因素的存在均可能影響到傳感器的整體性能。1.2.2 傳感器的特性參數(shù)傳感器所測量的非電量是處在不斷的變動之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地變換成相應(yīng)的電量，取決于傳感器的輸入-輸出特性。傳感器的這一基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器轉(zhuǎn)換的被測量數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有：靈敏度、線性度、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性和精度等。1.2.2 傳感器的特性參數(shù)1.靈敏度傳感器的靈敏度：穩(wěn)態(tài)下輸出增量

4、y與輸入增量x的比值，常用Sn表示：nySx對線性傳感器而言，靈敏度是一個常數(shù)；對于非線性傳感器而言，靈敏度隨輸入量的變化而變化，如圖所示。（a） （b）傳感器特性曲線（a）線性傳感器特性曲線；非線性傳感器特性曲線1.2.2 傳感器的特性參數(shù)2.線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的量程愈大。m a x1 0 0 %F SEy 傳感器線性度非線性誤差又稱線性度，公式為：1.2.2 傳感器的特性參數(shù)3.頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望

5、延遲時間越短越好。在動態(tài)測量中，應(yīng)考慮到信號的特點（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等）響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。4.穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的特性。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。為了保證穩(wěn)定性，在選用傳感器之前，應(yīng)對使用環(huán)境進行調(diào)查，以選擇合適的傳感器類型。1.2.2 傳感器的特性參數(shù)5.精度傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。6.其他選用原則除上述特性參數(shù)外，傳感器的遲滯、重復(fù)性及環(huán)境特性也是選用傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。傳感器的遲滯傳感器在正向行程和反向行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。重復(fù)性指在同一工作條件下輸入量按同一

6、方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性，重復(fù)性所反映的是測量結(jié)果偶然誤差的大小。1.2.2 傳感器的特性參數(shù)1.發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)新材料半導體敏感材料、陶瓷材料、磁性材料、智能材料等。2.集成化，多功能化集成化有兩個含義：（1）同一功能的多元件并列化；（2）多功能一體化。多功能化：如機器人六維力傳感器，溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器；3.向未開發(fā)的領(lǐng)域挑戰(zhàn)填補空白：檢測微弱信號是其發(fā)展方向。仿生研究：研究其原理，自然界很多動物的感官功能，超過了當今能實現(xiàn)的范圍。4.智能傳感器智能化：傳感器與微處理器結(jié)合，智能傳感器又稱Smart Sensors。1.2.3 傳感器的發(fā)展趨勢電橋電路在傳

7、感器的測量中應(yīng)用很廣泛，它可以把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。電橋電路按照不同的分類方法可以分為以下幾種類型。1.2.4 電橋電路1.按電源的性質(zhì)分類按照電源的性質(zhì)分，可分為直流電橋和交流電橋兩種類型。圖1為直流電橋電路圖。1）直流電橋平衡條件，當RL時，電橋輸出電壓: 3101234 1 1RRUERRRR（）當電橋平衡時,U0=0，所以:R1 R4 = R2 R3或R1/R2 =R3/R4 (1-2)1.2.4 電橋電路電壓靈敏度 若R1由應(yīng)變片替代，當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為: 314234110112341123414131412411234113()()()1 3()()(1

8、)(1)RR RR RRRRRUEERRRRRRRRRRRRRRR REERRRRRRRRRRR設(shè)橋臂比n=R2/R1,由于R1R1 ,可得:1.2.4 電橋電路10021U 14 1RnUERn（）0211 151VUnSERnR（）分析(1-5)式：電橋的靈敏度SV 正比于供橋電壓E。電橋的靈敏度SV 是橋臂比的函數(shù)。 當供橋電壓E確定后，由 1.2.4 電橋電路求得n=1時，SV為最大。即：在當供橋電壓E確定后，當R1=R2、R3=R4時，電橋的靈敏度最高。24100(1)VSnnn1.2.4 電橋電路此時，可分別將（1-3）式、（1-4）式、（1-5）式簡化為：1011111 1614

9、12RUERRR（）1011 174RUER（）1 184VSE（）結(jié)論：當供橋電壓和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。 1.2.4 電橋電路2）交流電橋平衡條件，交流電橋輸出電壓為：31123414231234 19SCSRZZUUZZZZZ ZZ ZZZZZ（）所以橋路平衡條件為：31142324Z 1 10ZZZ ZZ ZZ或（）1.2.4 電橋電路2.按橋臂的工作數(shù)量分類按橋臂的工作數(shù)量分，可分為單臂電橋、雙臂電橋和全橋。1）單臂電橋在單臂電橋中，R1為受力應(yīng)變片，其余各臂為固定電阻。2）雙臂電橋在雙臂電橋中，R1、R2為應(yīng)變片， R3、R4

10、為固定電阻。如果橋臂電阻R1和鄰邊橋臂電阻R2都由應(yīng)變片替代，且使一個應(yīng)變片受拉，另一個受壓，這種接法稱為半橋差動工作電路。1.2.4 電橋電路當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為：3110112234 RRRUERRRRRR （ 1-11）若 ， ，則：432121RRRRRR，1011 11 22RUER（）結(jié)論：U0 與R1/R1 成線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度SV= E/2 ，比使用單只應(yīng)變片提高了一倍。 1.2.4 電橋電路3）全臂若滿足R1=R2=R3=R4，則輸出電壓為： 110RREU 可見：全橋差動電橋也無非線性誤差；電壓敏度SV=E 是使用單只應(yīng)變片的4倍，比半橋差動提高了一倍。小結(jié)小結(jié)1.傳感器原理各異，種類繁多，一般可用如下方法分類:被測物理量、工作原理、輸出信號的性質(zhì)、