传感器基本测量电路

1.1传感器技术与应用线性度：是指传感器的输入和输出成线性关系的程度。灵敏度：到达稳定工作状态时输出变化量与引起该变化的输入变化量之比。分辨率：是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。或定义为区分两个相邻量的能力。回顾（静态指标）1.2传感器技术与应用精度：表示传感器在规定条件下允许的最大引用误差相对于传感器满量程输出的百分比。迟滞：反映了传感器正、反行程期间输入输出特性曲线不重合的程度。重复性：是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。漂移：是传感器在输入量不变的情况下，由于外界的干扰（例如温度、噪声等），传感器的输出量发生了变化。回顾（静态指标）1.3传感器技术与应用回顾（动态特性）传感器的数学模型：微分方程、传递函数零阶、一阶、二阶频率响应动态指标：阶跃响应和频率响应13:081.4传感器技术与应用传感器的基本检测电路电桥的平衡条件教学内容13:081.5传感器技术与应用教学要求熟练掌握电桥平衡的分析方法13:081.6传感器技术与应用在检测系统中，传感器测量电路的作用是将传感器输出的微弱信号转换成易于测量的电压、电流等电信号。由于传感器工作原理和特性上的局限性及环境等因素的影响，通常传感器输出的信号往往都很微弱，且其输出阻抗较高，很容易被噪声或其他测量仪器所干扰，所以传感器输出的信号一般是不能直接测量或利用的，因而需要进一步的进行调理，满足测量仪器所需要的信号。传感器的基本测量电路13:081.7传感器技术与应用测量电路的种类和构成是由传感器的类型决定的，不同的传感器所要求配用的测量电路一般具有自己的特色。常用的有交、直流电桥。传感器的基本测量电路13:081.8传感器技术与应用电桥电路是将电阻、电感、电容等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。其输出可直接用于指示仪，也可以送入放大器进行放大。许多传感器是把某种物理量的变化转换成电阻的变化。由于电桥电路简单可靠，且具有很高的精度和灵敏度，所以应用非常广泛。直流电桥13:081.9传感器技术与应用直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电源较易获得；电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，精度较高；对传感器至测量仪表的连接导线要求较低；电桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。但是零漂、温漂和地电位的影响较大。直流电桥是传感器最重要的测量电路，在电阻式传感器、应变电阻式传感器中被广泛使用。直流电桥13:081.10传感器技术与应用如图所示是直流电桥的基本形式。、、、称为电桥的桥臂电阻，E为电桥的激励源（直流电压源）。电桥节点c、d为输出端，在接入输入阻抗较大的仪表或放大器时，可视为开路，输出电压为，可表示为1R2R3R4RoU12ocada132414231324()()RRUUUERRRRRRRRERRRR电桥的平衡条件13:081.11传感器技术与应用直流测量电桥电桥的平衡条件13:081.12传感器技术与应用由上式可知，欲使输出电压为零，即，此时电桥达到平衡，必须满足下式o0U1423RRRR上式是直流电桥的平衡条件。适当选择各桥臂的电阻值，可使电桥在测量前满足平衡条件。为了使计算简单，减小由于温漂、零点漂移等引起的影响，通常选取4个桥臂的电阻相等，即1234RRRRR电桥的4个桥臂电阻相等的电桥称为全等臂电桥。电桥的平衡条件13:081.13传感器技术与应用若等臂电桥的桥臂电阻发生了的变化（通常称这样的电桥为单臂电桥），此时电桥就失去了平衡，根据前面的式得到输出电压为：4RR12o132422RRRRUEERRRRRRRRRRRERR电桥失去平衡13:081.14传感器技术与应用在实际的传感器测量电路中，引起传感器的电阻变化比其原始阻值要小得多，即上，因此式分母中的项可以忽略，则上式变为RRo14RUERRR电桥失去平衡13:081.15传感器技术与应用若电桥的两个臂的电阻发生了变化，通常是对称臂的电阻发生了变化，如图所示，这个电桥称为双臂电桥。电桥失去平衡双臂桥两个臂的电阻发生了相同方向的变化13:081.16传感器技术与应用若是等臂电桥，且两个桥臂的变化量为时，此时电桥的输出电压为14RRR±12o1324()()2RRRRRUEERRRRRRRRRRRERR电桥失去平衡13:081.17传感器技术与应用同样由于，因此上式分母中的项可以忽略，则Ro2RUER由上式可以看出，其输出电压的变化是单一桥臂变化时的2倍，即双臂电桥的灵敏度是单臂电桥的2倍。电桥失去平衡RR13:081.18传感器技术与应用各桥臂电阻均发生不同程度的微小变化，4个桥臂的一个对臂增大，另一个对臂就减小，假如变化规律如下图所示的形式，称这个电桥为全桥。电桥失去平衡13:081.19传感器技术与应用全桥直流电桥的4个桥臂发生变化电桥失去平衡13:081.20传感器技术与应用若是等臂电桥，且4个桥臂的变化为14RRR23RRR此时电桥的输出电压为12o1324()()()()RRUERRRRRRRRERRRRRRRRRER电桥失去平衡13:081.21传感器技术与应用此时电桥的输出电压为12o1324()()()()RRUERRRRRRRRERRRRRRRRRER由上式可以看出，输出电压的变化比双臂电桥又提高了1倍，即灵敏度又提高了1倍。电桥失去平衡13:081.22传感器技术与应用灵敏度是测量电桥的一个重要指标，电桥的灵敏度可以用电桥测量臂的单位相对变化量引起输出端电压的变化来表示，即oH/USRR根据前面的分析，单臂桥、双臂桥、全桥的灵敏度分别为：灵敏度13:081.23传感器技术与应用oH1/4USERR（2）双臂变化H12SE（3）全臂变化HSE（1）单臂变化灵敏度13:081.24传感器技术与应用（1）非线性误差对于单臂全等臂直流电桥，在某一桥臂发生变化时，其绝对误差为R42(42)22RRRRRUEEERRRRRR非线性误差13:081.25传感器技术与应用非线性相对误差表示为o2(42)/2(2/)2RREURRRRRUERRRR非线性误差13:081.26传感器技术与应用①改单臂电桥输出为半差动电桥输出。电桥同一支路的两个电阻阻值发生正反向微小变化（如阻值增加，阻值减少），则构成半差动电桥，该电桥输出电压为1R1R3R3R112o113324RRRUERRRRRR（2）减小和补偿非线性误差的方法13:081.27传感器技术与应用②采用全差动电桥。如果将直流电桥4个桥臂都接入变化的电阻，其阻值变化两两相反（如阻值增加阻值减少阻值减小阻值增加），则构成全差动电桥电路，其输出电压为1R1R3R3R2R2R4R4R1122o11332244RRRRUERRRRRRRR1234RRRRR若1234RRRRR则oRUERHSE（2）减小和补偿非线性误差的方法13:081.28传感器技术与应用交流电桥主要用于测量交流等效电阻及其时间常数、电容及其介质损耗、自感及其线圈品质因数和互感等电参数的精密测量，也可用于非电量变换为相应电量参数的精密测量。常用的交流电桥分为阻抗比电桥和变压器电桥两大类，一般习惯上称阻抗比电桥为交流电桥。交流电桥的电路与直流单电桥具有同样的结构形式，但因为它的4个臂是阻抗，所以它的平衡条件、电路的组成以及实现平衡的调整过程都比直流电桥复杂得多。交流电桥13:081.29传感器技术与应用如图所示是交流电桥的原理电路，它与直流单电桥相似。在交流电桥中，4个桥臂是由交流电路元件如电阻、电感、电容组成；电桥的电源通常是正弦交流电源；交流平衡指示仪的种类很多，要适用于不同频率范围。频率为200Hz以下时可采用谐振式检流计，音频范围内可采用耳机作为平衡指示器，音频或更高的频率时也可采用电子指零仪器，也有用电子示波器或交流毫伏表作为平衡指示器的。交流电桥13:081.30传感器技术与应用交流电桥的原理电路交流电桥13:081.31传感器技术与应用（1）平衡条件正弦稳态的条件下，在交流电桥的一个对角线cd上接入交流指零仪，另一对角线ab上接入交流电源。当调节电桥参数，使交流指零仪中无电流通过时，cd两点的电位相等，电桥达到平衡，这时有acadUUcbdbUU1122IZIZ3344IZIZ两式相除得11223344IZIZIZIZ交流电桥的平衡条件13:081.32传感器技术与应用电桥平衡时1423ZZZZ（2）交流电桥分析在正弦交流情况下，桥臂阻抗可以写成复数的形式：jjeZRXZ若将电桥的平衡条件用复数的指数形式表示，则可得3142jjjj1423eeeeZZZZ即2314j()j()1423eeZZZZ交流电桥的平衡条件13:081.33传感器技术与应用根据复数相等的条件，等式两边的幅模和相角必须分别相等，故有14231423ZZZZ上式就是交流电桥的平衡条件，可见交流电桥的平衡必须满足两个条件：一是相对桥臂上阻抗幅模的乘积相等；二是相对桥臂上阻抗相角之和相等。由上式可以得出如下两点重要结论。交流电桥的平衡条件13:081.34传感器技术与应用①交流电桥必须按照一定的方式配置桥臂阻抗。如果用任意不同性质的4个阻抗组成一个电桥，不一定能够调节到平衡，因此必须把电桥各元件的性质按电桥的两个平衡条件作适当配合。在很多交流电桥中，为了使电桥结构简单和调节方便，通常将交流电桥中的两个桥臂设计为纯电阻。交流电桥的平衡条件13:081.35传感器技术与应用②交流电桥平衡必须反复调节两个桥臂的参数。在交流电桥中，为了满足上述两个条件，必须调节两个桥臂的参数，才能使电桥完全达到平衡，而且往往需要对阻抗的幅模和相角这两个参数进行反复地调节，所以交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些。交流电桥的平衡条件13:081.36传感器技术与应用交流电桥的4个桥臂，要按一定的原则配以不同性质的阻抗才有可能达到平衡。从理论上讲，满足平衡条件的桥臂类型可以有许多种，但实际上常用的类型并不多，原因如下。①桥臂尽量不采用标准电感，由于制造工艺上的原因，标准电容的准确度要高于标准电感，并且标准电容不易受外磁场的影响。因此常用的交流电桥，不论是测电感和测电容，除了被测桥臂之外，其他3个臂都采用电容和电阻。②尽量使平衡条件与电源频率无关，这样才能发挥电桥的优点，使被测量只决定于桥臂参数，而不受电源的频率影响。有些形式的桥路平衡条件与频率有关，这样电源的频率不同将直接影响测量的准确性。交流电桥的设计原则13:081.37传感器技术与应用③电桥在平衡中需要反复调节，才能使相角关系和幅模关系同时得到满足。通常将电桥趋于平衡的快慢程度称为交流电桥的收敛性。收敛性愈好，电桥趋向平衡愈快；收敛性差，则电桥不易平衡或者说平衡过程时间要很长，需要测量的时间也很长。电桥的收敛性取决于桥臂阻抗的性质以及调节参数的选择，收敛性差的电桥很少使用。下面介绍几种常用的交流电桥。交流电桥的设计原则13:081.38传感器技术与应用（1）电容电桥如图1-20（a）所示，两相邻桥臂为纯电阻、，另相邻两臂为电容、。桥臂1和2的等效阻抗分别为3R4R1C2C11jC21jC根据平衡条件：431211jjRRCC则电桥的平衡条件为3412RRCC交流电桥的设计原则13:081.39传感器技术与应用常用交流电桥交流电桥的设计原