《感測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)》第三章 阻抗測(cè)量

1、第3章 阻抗（電阻、電容、電感）測(cè)量 阻抗測(cè)量是一種信號(hào)變換電路。 3、1 電橋法 直流電橋,四個(gè)橋臂純電阻組成,精度高。輸出為直流信號(hào)。 交流電橋,四個(gè)橋臂為電阻或阻抗,輸出為交流信號(hào)。 電阻式、電容式、電感式傳感器的輸出信號(hào)檢測(cè)常用的是不平衡電橋，把阻抗變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出?；菟诡D電橋電橋平衡條件相對(duì)兩橋臂阻抗乘積相等。(或相鄰橋臂阻抗比值相等)Z1Z3=Z2Z4LOLOLZZZUU負(fù)載電壓)()(開路輸出電壓43214231434211ZZZZZZZZUZZZZZZUUO43432121輸出阻抗ZZZZZZZZZO 當(dāng)阻抗為復(fù)數(shù)時(shí)平衡條件令Zi =Ri +JXi)()(31314242

2、31314242虛部相等實(shí)部相等RXXRXRRXXXRRXXRR利用平衡電橋，通過調(diào)節(jié)電橋使電橋平衡，可以測(cè)量電橋中任一臂的阻抗。當(dāng)電橋不平衡，把被測(cè)阻抗轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。3、1、2平衡電橋 1、測(cè)量電阻用，電橋平衡時(shí)321RRRRXR1R2R3是精密可調(diào)節(jié)電阻。電橋平衡時(shí)，A、B、點(diǎn)電位相等。稱零位式測(cè)量或比較式測(cè)量。（b）圖適合測(cè)量 損耗因數(shù)較大的電容器。 2、電橋法測(cè)電容量（采用交流電橋，信號(hào)源用正弦波信號(hào)）可測(cè)量電容器容量和損耗因數(shù)。（a）圖適合測(cè)量損耗因數(shù)小的電容器。電容器損耗因數(shù)意義對(duì)并聯(lián)等效模型的電容器，對(duì)于串聯(lián)的等效模型電容器電容器損耗因數(shù)是衡量電容器質(zhì)量的指標(biāo),D值小,

3、電容器質(zhì)量好。001tancRcRD01tancRD3、電橋法測(cè)電感量（a）適合測(cè)量Q值低電感（b）適合測(cè)量Q值高電感RCRLQ0 電感器品質(zhì)因數(shù)值意義 衡量電感器的性能。定義：諧振回路振蕩一周期內(nèi)儲(chǔ)存磁能或電能的最大值與一周期內(nèi)消耗能量之比。對(duì)串聯(lián)等效模型的電感器0RLRXQLQ值是電感器的質(zhì)量指標(biāo)。Q值高，電感器損耗小。3.1.3 不平衡電橋 原理： 電路結(jié)構(gòu)，不接檢流計(jì)的電橋。 把阻抗式傳感器接入電橋，初始狀態(tài)讓電橋平衡，輸出電壓為0，當(dāng)被測(cè)非電量變化時(shí)，引起傳感器阻抗參數(shù)變化，使電橋不平衡，輸出電壓不為0,被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化成電橋輸出電壓的變化，測(cè)量電橋輸出電壓，就可測(cè)得作用于傳感器

4、上的非電量。一、直流不平衡電橋 采用恒壓直流電源供電，電橋四橋臂只能接入電阻。)(434211RRRRRRUUO當(dāng)負(fù)載無窮大時(shí)。（1）電橋單臂變化）電橋單臂變化（單臂等臂電橋）（單臂等臂電橋） 電橋的一臂電橋的一臂接入傳感器，接入傳感器，其余三臂為固其余三臂為固定電阻，電阻定電阻，電阻值相等為值相等為R，單臂電橋靈敏單臂電橋靈敏度最低。度最低。單臂電橋輸出：RReRRUUO214非線性誤差： 單臂等臂電橋的輸出在非線性誤差。所以，單臂等臂電橋存非線性誤差為：時(shí)，遠(yuǎn)小于當(dāng)，RRUUUeRRUUURRRRRRURRRUUOOOOOO214211422 (2)電橋相對(duì)兩電橋相對(duì)兩臂同向變化臂同向變化

5、 R1= R3=R+R， R2=R4 =R，為固定電阻，為固定電阻 。電阻增量正。電阻增量正負(fù)號(hào)相同，可以使輸出電壓負(fù)號(hào)相同，可以使輸出電壓Uo成成倍地增大。倍地增大。輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：RReRRUUO212非線性誤差： (3)電橋相鄰兩臂電橋相鄰兩臂反向變化反向變化（半差動(dòng)等臂電橋）（半差動(dòng)等臂電橋） 電橋橫跨電源的相電橋橫跨電源的相鄰兩臂接入差動(dòng)電阻鄰兩臂接入差動(dòng)電阻傳感器，傳感器， R2、 R3為為差動(dòng)電阻傳感器，差動(dòng)電阻傳感器， R1、R4為固定電阻為固定電阻 。電阻增量正負(fù)號(hào)相反，電阻增量正負(fù)號(hào)相反，可以使輸出電壓可以使輸出電壓Uo成成倍地增大。倍地增大。輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：02非

6、線性誤差等于RRUUO(4)電橋四臂差動(dòng)工作電橋四臂差動(dòng)工作（全差動(dòng)等臂電橋）（全差動(dòng)等臂電橋） 電橋每對(duì)相鄰的兩臂均接入差電橋每對(duì)相鄰的兩臂均接入差動(dòng)電阻傳感器，全橋四臂差動(dòng)動(dòng)電阻傳感器，全橋四臂差動(dòng)工作方式的靈敏度最高，采用工作方式的靈敏度最高，采用全差動(dòng)等臂電橋、半差動(dòng)等臂全差動(dòng)等臂電橋、半差動(dòng)等臂電橋非線性誤差為電橋非線性誤差為0。輸出信號(hào)：0eRRUUO非線性誤差： 當(dāng)不平衡電橋不滿足以上四種條件時(shí)， 可應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，設(shè)定輸出電壓正方向，求出輸出電壓?；鶢柣舴螂妷憾桑涸谌魏我粋€(gè)閉合回路中，各段電阻上的電壓降的代數(shù)和等于電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即 IR=E。從一點(diǎn)出發(fā)繞回路一周回到該

7、點(diǎn)時(shí)，各段電壓的代數(shù)和恒等于零，即U=0。 電橋也可以采用恒流源供電 采用恒流源供電的電橋，可以減小和消除輸出的非線性誤差， 可以消除溫度變化的影響。二、交流不平衡電橋二、交流不平衡電橋(a)電阻平衡臂交流電橋電阻平衡臂交流電橋(b)變壓器電橋變壓器電橋當(dāng)兩橋臂為電阻式傳感器：當(dāng)兩橋臂為電感式傳感器：當(dāng)兩橋臂為電容式傳感器： 上式都包含兩參數(shù)的差與兩參數(shù)的和的比，適用于差動(dòng)式阻抗傳感器的測(cè)量。21122LLLLEUO21122RRRREUO21212CCCCEUO2211,RZRZ2211,LjZLjZ22111,1CjZCjZ三、有源電橋三、有源電橋 特點(diǎn)，帶放大器的電橋，有源電橋與單臂電橋

8、相比，輸出電壓線性度高，靈敏度高，輸出電阻低。輸出比單臂電橋成倍提高，消除單臂電橋的非線性，（負(fù)反饋改善放大器性能） 3、2 阻抗電壓轉(zhuǎn)換 1、歐姆法（恒流法）（a）圖適合測(cè)量小電阻，（b）圖適合測(cè)量大電阻XNXRRRIU)1 (12XNXRIUXNRI圖3-2-2 自舉式R-U轉(zhuǎn)換器0NxNEURRNxOEUU2xoUU反饋電阻式R-U轉(zhuǎn)換器XrefNXrefORIRRUU測(cè)量電阻量程由輸出電壓表的量程決定。若Uo量程為10V，RN分別為200歐、2K，則對(duì)應(yīng)Rx的量程分別為1K、10K 2、比例運(yùn)算法XOEOCCUUOXEOCCUUOEOCCCUU12輸出與被測(cè)電容成反比。輸出與被測(cè)電容成

9、正比。輸出與被測(cè)電容的差成正比。常用于差動(dòng)式電容傳感器。差動(dòng)脈沖調(diào)寬法 3、差動(dòng)脈沖調(diào)寬法使用在差動(dòng)電容傳感器2121CCCCUUUEABOUE輸出脈沖幅值3、3 阻抗頻率轉(zhuǎn)換器 1、調(diào)頻法 原理：把R、L、C傳感器接入振蕩電路，使振蕩頻率隨R、L、C變化。輸出具有嚴(yán)重非線性特性。OooLLffffLCf221或固定電感，改變電容。 差動(dòng)電容式傳感器如采用差頻電路，靈敏度高，能抵消溫度變化的影響。 可以測(cè)量很小的電容變化量。OodCCff 2、積分法、積分法 用于電阻式傳感器，轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)頻率與電阻的變化成正比，具有線性變換關(guān)系。RRCRRARRTf657616)(13、4 阻抗阻抗數(shù)字轉(zhuǎn)換

10、法數(shù)字轉(zhuǎn)換法 1、電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換一、單斜積分法，適合高值電阻測(cè)量。時(shí)標(biāo)脈沖的周期CXCNabCabTCRTUUUTTTNNxaaTxNaUCRUTdtRUCUa01NxbbUCRUT3、4 、2 電感、電容阻抗電感、電容阻抗-數(shù)字轉(zhuǎn)換法數(shù)字轉(zhuǎn)換法 RLjURrURLjrUUXSxSXxSX)(XSXSXXSXRCjURGUCjGRUU1電感器電容器US是正弦波信號(hào)源。GX=1/RX(直流電導(dǎo))XXLjrxxCjR11 阻抗元件包含阻抗實(shí)部和虛部，阻抗電壓變換器的輸出電壓也包含實(shí)部和虛部，采用相敏檢波器把輸出電壓的實(shí)部和虛部分離。RLjURrURLjrUUXSxSXxSX)(Us與Ux的實(shí)部相位相反（180），與Ux的虛部相位正交（270）。=得到實(shí)部jUs與Ux的實(shí)部相位正交（270），與Ux的虛部相位相反（180）。=得到虛部 因此經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換就可實(shí)現(xiàn)阻抗數(shù)字化測(cè)量，通過計(jì)算就可以得到阻抗、Q值、損耗因素等參數(shù)。相敏檢波原理輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻但有一定相位差時(shí)，輸出信號(hào)的大小輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻但有一定相位差時(shí)，輸出信號(hào)的大小與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定相與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定相位差的值。相敏檢波電路的這一鑒相特性。位差的值。相敏檢波電路的這一鑒相特性。0，2