差动传感器和测量电桥基本介绍

差动传感器和测量电桥2差动测量系统结构作用：提高灵敏度减少非线性误差减少干扰的影响差动测量系统常用于电参量传感器（电阻式、电容式、电感式传感器）3差动电容传感器变气隙式、变面积式和变介电常数式三种电容传感器均可制成差动电容传感器。由于变气隙式电容传感器的非线性严重，实际上是很少使用的，通常制成差动型式，其常用结构见图。变气隙式差动电容传感器原理差动电容式传感器2311000000001[()()...]1ddddCCCCCdddddd2320200000001[()()...]1ddddCCCCCdddddd351200002[()()]dddCCCCddd0dd忽略3次方以上非线性项002dCCd•灵敏度002CCkdd同单个电容式传感器的灵敏度相比增加了1倍•变气隙式差动电容传感器仅含奇次方的非线性，因此其线性度得到很大程度的改善。5脉冲调宽电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路的输出波形121211120122oCCCCUUUCCCCC差动式电感传感器由于自感传感器具有初始电感，线圈流向负载的电流不为零，衔铁永远受有吸力，线圈电阻受温度影响引起温度误差，灵敏度低等缺点。因此，实际中应用较少，常用差动自感传感器。差动自感传感器：用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。l234a)b)l234l34c)a)变间隙型b)变面积型c)螺管型1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆图差动式电感传感器7变气隙式差动自感传感器原理见图.它由一个公共衔铁和上、下两个对称的线圈L1和L2组成。当衔铁向上位移，在差动自感传感器中，电感变化量：])()([250300021LLLL变气隙式差动自感传感器的特性分析•上式中第一项是线性项，其灵敏度为：002LLk可见，差动自感传感器的灵敏度是简单自感传感器的2倍。•差动自感传感器仅含奇次方非线性项，其三次方非线性误差为：230()100%l非线性得到很大的改善。•同理，变面积式和螺管式差动自感传感器也能得到提高灵敏度和改善线性度的同样的结论。变气隙式差动自感传感器8压力传感器图4-33BYM型压力传感器9电阻传感器差动结构示意图电阻传感器原理：/RRK10梁臂式力传感器11导线张力传感器12电桥:将电阻（电感、电容或阻抗）参量的微弱变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。电桥特点:电路简单，较高的准确度和灵敏度，广泛使用电桥分类：（4种方法）按照激励电源的性质：直流与交流电桥；按照输出方式：平衡式电桥与不平衡式电桥。与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。按照电源供电的方式：恒压源供电电桥和恒流源供电电桥。按照电桥的结构：单臂电桥、差动半桥、差动全桥。测量电桥13Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。A，C两端接电压源，则在B，D两端输出不平衡电压UBD分别为：恒压源供电：恒流源供电：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I214231234ABADZZZZUUUEZZZZ14231234ABADZZZZUUUIZZZZ测量电桥的基本工作原理Z0±ΔZ电源ABCZ0Z0Z0DU将电桥的一个桥臂阻抗接电参数型传感器的变换器(Z0±ΔZ)，其余三个臂的阻抗均恒定Z2=Z3=Z4=Z0，单臂电桥两个桥臂与电参数型传感器的两个差动变换器相接，则构成差动半桥，即两个桥臂阻抗发生差动变化(Z0±ΔZ，)其余两个臂的阻抗均恒定Z3=Z4=Z0，差动半桥UZ0±ΔZABCZ0Z0Z0ΔZD电源若四个桥臂阻抗均为电参数型传感器的四个差动变换器，且四个桥臂阻抗发生差动变化(Z0±ΔZ，Z0ΔZ，Z0±ΔZ，Z0ΔZ)，则构成差动全桥电路Z0±ΔZ电源ABCZ0±ΔZZ0ΔZZ0ΔZDU0ZZ15电桥的静态特性（差动半桥）1423BD1234ZZZZUEZZZZ10ΔZZZ输入差动变化：20ΔZZZEABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2差动半桥340ZZZ可得：BD02ZUEZ01212BD01212()()2()2()ZZZZZUEEZZZZZ16电桥的静态特性o00Δ1412EZUeZZZo0Δ22EZUeZo0Δ4ZUEeZ单臂电桥：差动半桥：差动全桥：输入量ΔZ相同的情况下，差动半桥的输出近似为单臂电桥的两倍，差动全桥是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。恒压源供电恒流源供电'o01Δ414IUZeZZ'oΔ22IUZe'oΔ4UIZe17电桥灵敏度S01412EKconstZZS2EK单臂电桥：差动半桥：差动全桥：0Δ/oSUKZZ灵敏度：SKE差动半桥的灵敏度近似为单臂电桥的两倍，差动全桥的灵敏度是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。单臂电桥的灵敏度不为常数，具有非线性；差动半桥的灵敏度和差动全桥的灵敏度与ΔZ无关且为常数，是理想的直线。恒压源供电恒流源供电S001414IKZconstZZS02IKZS0KIZ18电桥对同符号干扰量的补偿特性(温度补偿）o0Δ1Δ412TTZZEUZZZZ10TZZZZ单臂电桥：2340ZZZZconst差动全桥：10TZZZZ340ZZZconst20TZZZZo0Δ121TEZUZZZ差动半桥：10TZZZZ20TZZZZ30TZZZZ40TZZZZo0Δ11TZUEZZZ差动电桥分子中没有ΔZT，消除了ΔZT对被测作用量ΔZ的影响；分母中存在干扰量ΔZT，但以比值ΔZT/Z很小,对输出影响很小。恒流源供电的差动全桥，输入输出特性没有干扰量，理论上无温度误差。恒压源供电恒流源供电o0Δ1Δ414TTZZIUZZZZo01Δ212TIUZZZoΔUIZ19电桥结论•差动传感器与差动电桥相配合，能使测量系统具有更加优良的特性；•与单臂电桥相比，差动电桥灵敏度更高、非线性误差更小，对同符号干扰有低偿作用；结论：•恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差，对于易受温度影响传感器，可采用电流源供电。20变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式的交流电桥如图所示。电桥的两臂Z1和Z2为差动自感传感器中的两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次线圈的两半（每一半的电压为），输出电压取自A、B两点。假定0点为参考零电位，则A点的电压为：2/U211ZZZUUAB点的电位为：2UUB则有输出电压UZZZUUUBAo)21(211ZZZ21当衔铁处于中心位置时，由于两线圈完全对称，因此，代入上式，得：0oU同理，当传感器衔铁上移同样大小的距离时，可推得：UZZUZZZUo2)212(比较上两式可知，当衔铁向上移动和向下移动相同距离时，其输出大小相等，方向相反。由于电源电压是交流，所以尽管式中有正负号，还是无法加以分辨。U当衔铁向下移动时，下面线圈的阻抗增加，即，而上面线圈的阻抗减小，即，故此时的输出电压为：ZZZ1ZZZ2UZZUZZZUo2)212(22带相敏整流的交流电桥带相敏整流的测量电桥当衔铁处于中间位置时，，电桥处于平衡状态，输出电压；当衔铁上移，使上线圈阻抗增大，，而下线圈阻抗减少。设输入交流电压为正半周，即A点为正，B点为负，则二极管VD1、VD4导通，VD2、VD3截止。在A→E→C→B支路中，C点电位由于的增大而比平衡时C点的电位降低；在A→F→D→B支路中，D点电位由于的降低而比平衡时D点的电位增加，即D点电位高于C点电位，此时直流电压表正向偏转。ZZZ210oUZZZ1ZZZ2U1Z2Z23带相敏整流的交流电桥带相敏整流的测量电桥设输入交流电压为负半周，即A点为负，B点为正，则二极管VD2、VD3导通，VD1、VD4截止。在B→C→F→A支路中，C点电位由于的减小而比平衡时降低。在B→D→E→A支路中，D点电位由于的增加而比平衡时的电位增加。所以仍然是D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。只要衔铁上移，不论输入电压是正半周还是负半周，电压表总是正向偏转，即输出电压总为下正上负。U2Z1ZoU24直流电桥测量系统outbduKu3122(1)GRRKRR测量放大器：2个高输入阻抗放大器＋差动放大器25小结差动传感器(电阻、电感、电容)差动测量系统的调理电路电桥（单臂电桥、差动半桥，差动全桥)差动测量系统特点（提高灵敏度，减少线性误差）