传感器与检测技术(第3版)[谢志萍]06

第6章传感器与检测系统的信号处理技术电子工业出版社传感器与检测技术6.1电桥电路6.1.1直流电桥1423oabad1234()()RRRRUUUURRRR传感器与检测技术6.1电桥电路假设电桥各臂电阻值都发生变化，其阻值的增量分别为1R、2R、3R、4R，则电桥的输出为：11442233o11223344()()()()()()RRRRRRRRUURRRRRRRR将上式展开，取初始状态电桥的各臂阻值相等，即1234RRRRR，且一般情况下RR，忽略R的高次项，则o1234()4UURRRRR传感器与检测技术6.1电桥电路1．单臂工作电桥132412o21234112()()()()RRRRRRRRUUURRRRRRRR1o21144()RRRRUUUKURRRR1o22()()RRRRRUUKRRRRRo44RKUUUR传感器与检测技术6.1电桥电路2．等臂双臂工作电桥若等臂电桥相邻的两个桥臂接应变片，其中一个受拉，另一个受压，另外两个桥臂是固定电阻，例如，1122RKRKK，340RR；或者相对的两个桥臂接成应变片，两个应变片的应变方向相同，另外两个桥臂是固定电阻，例如，114RKR4KK，230RR。则由式（6-3）可知其输出电压为：o2KUU传感器与检测技术6.1电桥电路3．等臂全桥工作电桥若桥臂上四个应变片的应变为1234，则输出电压为：oUKU根据电桥的加减速特性可知，组成等臂全桥测量电路，灵敏度最高，输出电压最大。直流电桥后续的放大电路可采用差动输入的运算放大器，对精度要求高的可选用测量放大器，具体可参照6.2.2节。传感器与检测技术6.1电桥电路例6.1采用阻值350、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为350的固定电阻组成电桥供桥电压为8V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变为1000μ时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥及全桥工作时的输出电压。解：单臂工作电桥的输出电压为：6382.0100010410(V)44OUUK双臂工作电桥的输出电压为：6382.0100010810(V)22OUUK全桥工作电桥的输出电压为：6382.01000101610(V)OUUK传感器与检测技术6.1电桥电路6.1.2交流电桥1．交流电桥的平衡条件msinuUt14231423om12341234sinZZZZZZZZUUUtZZZZZZZZ1423ZZZZ传感器与检测技术6.1电桥电路2．电阻交流电桥例如，一个单臂接入应变片的等臂电桥，即1234ZZZZZ,1ZZZ，当Z＜＜Z时，忽略分母中Z的影响，根据式（6-11）可以得到电桥的输出电压为：om11sin44ZUUKUtZom11sin22ZUUKUtZ传感器与检测技术6.1电桥电路3．电感电桥两相邻桥臂为电感1L和2L，另两臂为纯电阻1R和2R，其中1R和2R为电感线圈的有功电阻。若设Z1、Z2为传感器阻抗，并且12RRR；12LLL；则有12jZZZRL，另有12RRR。由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电感式传感器的两差动电感，工作时，1ZZZ和1ZZZ，当ZL→∞时，电桥的输出电压为：11211o121212222ZRRZZZRUZUUUUZZRRZZZRo2ULUL传感器与检测技术6.1电桥电路4．电容电桥11112o1212122()()22ZRZRRZZUZUUUUZZRRZZRZo2UCUC传感器与检测技术6.1电桥电路5．变压器电桥电路o2212222UUUUZUIZZZZZ12o122CCUUCCo2UU传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离6.2.1运算放大器1．反相放大器o1i2URGUR2．同相放大器o1i21URGUR传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离6.2.2测量放大器1．测量放大器的结构与特性o3112GG1iURRRGURRR传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离2．测量放大器集成电路传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离3．测量放大器的使用（1）差动输入端的连接。传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离（2）护卫（Guard）端的连接。当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离（3）R端、S端的连接。测量放大器通常设有R端和S端，如图传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离AD612与测量电桥连接如图12o12G180k11()2CMRRVVVVVR传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离6.2.3程控测量放大器PGA1．浮点放大器型传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离2．增益电阻切换型这种放大器是采用可编程控制的多路开关来切换放大器中决定增益的电阻，以此改变放大器的增益。传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离6.2.4隔离放大器在自动检测系统中，人们希望在输入通道中把工业现场传感器输出的模拟信号与检测系统的后续电路隔离开来，即无电的联系，这样可以避免工业现场送出的模拟信号带来的共模电压及各种干扰对系统的影响。解决模拟信号的隔离问题要比解决数字信号的隔离问题困难得多。目前，对于模拟信号的隔离广泛采用隔离放大器。传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离1．AD277型双隔离式放大器ff11RAR传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离AD277构成的同相比例放大器传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离2．AD210型三隔离式放大器传感器与检测技术6.3信号的变换6.3.1电压与电流转换1．电压转换为电流（V/I转换器）若要求Vimax＜30mV，可在14、15脚间跨接以下电阻：1imax40030/1RV若要求30mVVimax60mV，可在15、16脚间跨接以下电阻：imax2imax400(60)30VRV传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离下图是微机皮带秤的信号变送与转换电路图，图中左下角R01～R04为电阻应变式称重传感器连接成的电桥，电桥电源电压U24由基准电压源和辅助放大器提供，U24为：224236.2RURR传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离2．电流转换为电压（I/V转换器）当变送器的输出信号为电流信号时，要转化成电压信号，需经I/V转换。最简单的I/V转换可以利用一个500的精密电阻，将0～10mA的电流信号转换为0～5V的电压信号。传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离6.3.2电压与频率的相互转换LM31系列用做V/F转换时的简化功能框图如图ss1.9VIRC1i;VVVsosLItVC传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离当开关K断开后，CL通过RL放电，使VC下降。当放电过程持续T1时间，VC下降到小于Vi时，输入比较器再次启动单脉冲定时器又产生一个宽tos的脉冲，开关K再次闭合，CL再次充电，如此循环，3脚输入脉宽为tos，周期为T的方波。频率fout的大小为：sioutLts12.09RVfTRRR传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离LM331用作V/F转换传感器与检测技术6.2信号的放大与隔离所示是由LM331构成的F/V转换电路，输入频率fIN脉冲的每个下降沿引起输入比较器触发单脉冲定时电路，产生一个固定宽度为tos的脉冲，在tos期间，电流源Is在RL上产生电压，在无CL情况下，RL输出电压的幅度为I×RL，宽度为tos，周期为T的方波，CL滤去此方波的高频分量，保留其直流分量即方波的平均值输送出来，输出电压为：sLosLttoINs2.09IRtRRCVfTR