第六章电桥.ppt
自动检测技术及仪表,Test & Measurement Technology and Automation Instruments,CISTBUCT 2012,TMT&AI 检测元件与检测技术,电阻式检测元件的原理 变 l 型、变 型、变 (l, A, ) 型 影响因素：温度、热输出、横向效应等 电容型检测元件的原理 平板电容、柱面电容、球面电容、平行导线电容 变极距型、变面积型、变介质型 影响因素：非线性、边缘效应、寄生电容、静电引力、温度等 电感型检测元件的原理 自感式传感器 、互感式传感器、电涡流式传感 变气隙式、变面积式、螺线管式、低频透射式 影响因素：非线性、电磁力、温度等,TMT&AI 检测元件与检测技术,没有理想的元件 电阻型检测元件 直流激励 消除寄生电容、寄生电感 不平衡电桥 电容、电感型检测元件 交流激励 需要考虑所有的影响因素 需测量信号的幅值和相位 自平衡电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,一般信号变换结构 简单变换 差动变换 开环结构仪表 参比变换 平衡反馈变换 闭环结构仪表,第部分 基础知识,第二章 检测元件 与检测技术,简单变换电路 不平衡电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,常见的电抗变换方法 简单转换电路 V-I 法 不平衡电桥法 自平衡电桥法 电桥法 谐振法 网络分析法,Charles Wheatstone,TMT&AI 检测元件与检测技术,简单转换电路 直接通过电阻型检测元件两端的电压和流经的电流进行电信号变换，可称为 V-I 法。 根据检测元件不同分为 有源检测元件的转换电路 无源检测元件的转换电路,TMT&AI 检测元件与检测技术,简单转换电路 有源检测元件的转换电路 负载电阻上的有效功率,TMT&AI 检测元件与检测技术,简单转换电路 有源检测元件的转换电路 负载电阻上的有效功率 当 RL = RI 时，信息传递有效系数取得最大值 gm = ¼ ，PL = ¼PKE。 负载电阻上的有效电压 RL = 时 uL 取得最大 值，uLm = E。,TMT&AI 检测元件与检测技术,简单转换电路 无源检测元件的转换电路 直接串联式,TMT&AI 检测元件与检测技术,简单转换电路 无源检测元件与转换电路连接 直接串联式 当 RP0 = 2RL 时，信息传递有效系数取得最大值 Pm = 0.1481。 提高 、PKEp 提高负载电阻上的有功功率。,TMT&AI 检测元件与检测技术,简单转换电路 无源检测元件的转换电路 直接串联式 不平衡电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,简单转换电路 无源检测元件的转换电路 直接串联式 不平衡电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 通过调评电桥，可解决测量输出初始值不为零的 问题； 方便进行温度、湿度等环境干扰的补偿； 使用相同性能的敏感 元件、转换元件，可 以构成差动转换电路。,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 单臂工作（简单变换） 等臂电桥 R10 = R20 = R30 = R40 第一对称 第二对称 一般电桥 双臂工作（差动变换/参比变换） 四臂工作（差动变换/参比变换）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 单臂工作（简单变换） 等臂电桥 第一对称 R10 = R20 R30 = R40 第二对称 一般电桥 双臂工作（差动变换/参比变换） 四臂工作（差动变换/参比变换）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 单臂工作（简单变换） 等臂电桥 第一对称 第二对称 R10 = R30 R20 = R40 一般电桥 双臂工作（差动变换/参比变换） 四臂工作（差动变换/参比变换）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 单臂工作（简单变换） 双臂工作（差动变换/参比变换） 等臂电桥/第一对称（差动变换） 等臂电桥/第二对称（参比变换） 四臂工作（差动变换/参比变换）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 单臂工作（简单变换） 双臂工作（差动变换/参比变换） 等臂电桥/第一对称（差动变换） 等臂电桥/第二对称（参比变换） 四臂工作（差动变换/参比变换）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 单臂工作（简单变换） 双臂工作（差动变换/参比变换） 等臂电桥/第一对称（差动变换） 等臂电桥/第二对称（参比变换） 四臂工作（差动变换/参比变换）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 单臂工作（简单变换） 双臂工作（差动变换/参比变换） 四臂工作（差动变换/参比变换）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 电压灵敏度 初始条件满足 R10R40 = R20R30 时电桥达到平衡，输出电压 uL = 0(V)。 注：Ri = Ri0 + Ri,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 电压灵敏度,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 电流灵敏度,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 电流灵敏度,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 特性 双臂工作、四臂工作的电桥是线性的，单臂工作的电压灵敏度存在一定的非线性。 输出值均与 和 E 成正比。 单臂工作电桥的灵敏度最低，双臂工作电桥、四臂工作电桥的灵敏度逐渐提高，非线性误差也小。 电压输出值与电阻的大小无关，仅与电阻相对变化量 有关；电流输出值与电阻值及其相对变化量都有关。,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 交流电桥 电桥工作电源为交流电 适用于含有电容、电感等阻抗的变换 电桥输出也为交流信号，便于放大处理 分析方法与直流电桥相似，将电阻换为阻抗,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 通过调平电桥，可以解决测量输出初始值不为零的问题；方便进行温度、湿度等环境干扰的补偿；使用相同性能的敏感元件、转换元件，可以构成差动转换电路。 单臂工作、双臂工作、四臂工作 等臂电桥、第一对称、第二对称、一般电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 单臂工作第二对称不平衡电桥设计 桥臂电阻 供电电压,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 确定电阻型检测元件的电阻相对变化率，一般是被测变量的非线性函数。,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 已知 ，定义 ， 有,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 当 m = 1 时，对应于等臂电桥和第一对称； 当 m 1 时，对应于第二对称和一般电桥。 输出值与 和 E 成正比； 电压输出值与电阻的大小无关。,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 非线性误差 当 很小时，线性化输出电压特性 由非线性误差的定义 若给定非线性误差上界 则 。,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 非线性误差 若要消除第二对称单臂工作的不平衡电桥的非线性误差，要求 m ； 意味着，E 。 电流源代替电阻,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 非线性误差/最大化输出 此时，非线性误差为,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 非线性误差/最大化输出 供电电压 构成电桥的各个元件都消耗能量，供电电压对元件的耗散功率有要求。 考虑最不利情况,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 非线性误差/最大化输出 供电电压 给定元件最大耗散功率 同理，对 R2 一般情况下，m 1，P20 P10。,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 其它形式的不平衡电桥设计方法类似（课后练习）,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 电流/功率输出（电流灵敏度） 设计时需要考虑阻抗匹配,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 电流/功率输出（电流灵敏度） 相对变化率 输出电压 设计时需要考虑阻抗匹配 非线性误差/最大化输出 供电电压,TMT&AI 检测元件与检测技术,小结 简单变换中的阻抗匹配 有源元件 RL = RI 无源元件 RP0 = 2RL 电桥 等效电路,TMT&AI 检测元件与检测技术,小结 不平衡电桥设计 电压输出时，单臂工作的电压灵敏度存在一定的非线性，双臂工作、四臂工作的电桥是线性的。 输出值均与 和 E 成正比。 单臂工作电桥的灵敏度最低，双臂工作电桥、四臂工作电桥的灵敏度逐渐提高，非线性误差也小。 电压输出值与电阻的大小无关，仅与电阻相对变化量 有关；电流输出值与电阻值及其相对变化量都有关。,TMT&AI 检测元件与检测技术,小结 不平衡电桥设计,第部分 基础知识,第二章 检测元件 与检测技术,自平衡电桥 仪表放大器,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥的应用 参比式变换 应变片热输出的双丝半桥法和补偿块法 电桥（平衡电桥） 自平衡电桥 其它变换电路 仪表放大器,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥的应用 应变片的热输出补偿方法 热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。 温度自补偿法 桥路补偿法 利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿 - 双丝半桥式 - 补偿块法,TMT&AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥的应用 应变片的热输出补偿方法 热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。 温度自补偿法 桥路补偿法 利用电桥的两边臂上电压和、差原 理来达到补偿 - 双丝半桥式 - 补偿块法,TMT&AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 不平衡电桥 单臂电桥的电压输出与 为非线性关系 影响输出不确定度的因素多 桥路供电电压也影响输出,TMT&AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 利用电桥平衡原理构成的电测仪器，不仅可以测 电阻，也可以测电容、电感。并可通过这些物理 量的测量来间接测量非电学量，例如温度、压力 等，因此电桥电路在自动化仪表和自动控制中有 着广泛的应用。,Charles Wheatstone,TMT&AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 惠斯登电桥（Wheatstone Bridge） 1843 年 Charles Wheatstone 当电桥平衡时 与电桥供电电压无关 一般用于电阻的测量 也适用于电抗的测量,TMT&AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 其它电桥,Charles Wheatstone,TMT&AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 测量方法简明 仪器结构简单，操作方便 测量的灵敏度和精确度较高 需要手工调试 实际检测元件均非简单元件， 采用一种电桥无法完成测量,TMT&AI 检测元件与检测技术,实际电容检测元件 等效电路 C 为传感器电容 RP 为低频损耗并联电阻（包括极板简漏电和介质耗损） RS 为高频、高湿工作时的串联损耗电阻（包括导线、极板间和金属衬支座等损耗电阻） L 为电容器及引线电感 CP 为寄生电容、 边缘效应电容,TMT&AI 检测元件与检测技术,实际电感检测元件 等效电路 L 线圈电感 Re 铁心涡流损耗 Rc 线圈铜损电阻 Rh(f) 磁滞损耗电阻(是频率的函数) C 线圈寄生电容,TMT&AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作不平衡电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥,TMT&AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥 输出电压与电阻的相对变化率为线性关系 适用于电阻、电容和电感构成的电抗网络的测量,TMT&AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥 例：电容-电压转换,TMT&AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 实际应用,TMT&AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 脉宽调制,TMT&AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 调频电路 振荡器谐振频率 频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小。但此时系统是非线性的，不易校正。因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化。 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至 0.01m 级位移变化量。,TMT&AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 电压电流,TMT&AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 电压电流 电流电压,TMT&AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 电压电流 电流电压,TMT&AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 常用的位移电信号变换 位移转变成电容 位移量很小，如膜片 利用霍尔元件 利用差动变压器 差动变压器是利用互 感原理把位移转换成 电信号的一种常用的转换元件,TMT&AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 常见的位移信号 温度测量中 双金属片 tx 压力测量中 弹性元件 px 物位测量中 浮筒 H(f)x 流量测量中 转子流量计 qx,TMT&AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 差分放大电路 单运放构成的差分放大电路,TMT&AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 差分放大电路 用电压跟随器提高输入阻抗,TMT&AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 三运放构成的仪表放大器,TMT&AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 三运放构成的仪表放大器 能够对差分信号、单端信号进行放大 可以方便地构成带滤波功能的防大电路 抑制共模信号（共模抑制比高）,TMT&AI 检测元件与检测技术,小结 不平衡电桥的设计 电桥的基本原理 平衡条件 不确定性分析 自平衡电桥的形式和公式推导 其它变换电路 仪表放大器的基本原理,TMT&AI 检测元件与检测技术,课后作业（不用交） 第三章 7、8 不平衡电桥设计,
