传感器测量电路

平衡条件 :
R1+⊿R1
R1R4=R2R3
R1/R2=R3/R4
R3
R2
IL
RL
R4
U
（2）不平衡直流电桥
当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路. 电桥的输出式为：
U0

R1R4 R2 R3 U (R1 R2 )( R3 R4 )
应变片工作时，其电阻变化ΔR
U0
U
(R1 R1 )( R4 R4 ) (R2 R2 )( R3 R3 ) (R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
h)

2H D

2h(1 ) D

C0

2h(1 ) D
ln
ln
ln
ln
ln
d
d
d
d
d
4 电容式传感器的应用
(1) 电容式差压传感器 (2) 电容式加速度传感器 (3) 电容式振动位移传感器
三 电感式传感器工作原理
1 自感式传感器
线圈自感 L N 2 / li / i Si 2 / 0S
2 交流电桥
如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为 交流电桥。
❖为适应电感、电容式传感器的需要 ❖交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高 的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。
（1）交流电桥的平衡条件
交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两 个次级线圈
交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 Z1、Z 2 、Z 3 、 Z 4 表示
l i ——各段导磁体的长度； U i——各段导磁体的磁导率；
S i ——各段导磁体的截面积；δ ——空气隙的厚度；
U0 ——真空磁导率;
S ——空气隙截面积
L f ,S
L f1 变气隙型传感器
L f2 S 变截面型传感器
变间隙式电感传感器
传感器由线圈、铁心和衔铁组
• 电位器式传感器一般采用电阻分压电路，
将电参量R 转换为电压输出给后续电路，
如图所示。当触头移动时，输出电压为：
uo
L
ui R 1 x
x RL L
二 电容式传感器工作原理
C S r0S
dd
δ
S ——极板相对覆盖面积； d ——极板间距离； εr——相对介电常数； ε0——真空介电常数，； ε ——电容极板间介质的介电常数。
的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵 敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。
螺管型电感传感器
衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化， 线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线
圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和 批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。
L1 L2 L
则有
Z1 Z2 Z R jL
另有 R1 R2 R
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：
Z1 Z Z Z2 Z Z
电桥的输出电压为：
•
Uo

Z1
•
U
Z1 Z2
R1
•
U
R1 R2

Z1
2R RZ1 Z Z1 Z2 2R
成。工作时衔铁与被测物体连
接，被测物体的L位 N移2 将引起空 气隙的长度发生变Rm化。由于气
隙磁阻的变化，导致了线圈电
L N2 Rm
感量的变化。
线圈电感：
N2 L
Rm
特点：灵敏度高，非线性误差较大，
制作装配比较困难。
N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。
变面积型电感传感器
气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量
R2－⊿R2 U0
R4＋⊿R4
输出电压为：
U0
U
R
R
U
恒流源供电电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化
I ABC

I ADC

1I 2
电桥的输出为
U0 U BD

1 2
I
(R

R

RT
)

1 2
I
(R

R

RT
)
IR
电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比， 但与温度无关，因此测量不受温度的影响。
F R1 R2
R1＋⊿R1
R2－⊿R2
U0
R3
R4
U
U0
U[ R1

R1 R1 R1 R2
R2

R3 R3 R4
]
R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR
U
＝U 02
R
R
严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用
全桥差动电路
R1＋⊿R1 R3－⊿R3
2
•
U
•
U 2
Z Z
•
当ωL＞＞R' 时，上式可近似为：
•
Uo
U
L
2L
交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。
电容电桥
两相邻桥臂为电容C1和C2，另 两臂为纯电阻R1和R2，其中 R1 和 R2 为电容介质损耗电阻。
设Z1、Z2为传感器阻抗，
且
R1 R2 R C1 C2 C R1 R2 R
两个次级绕组的同名端则反向串联。
图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线
差动变压器的结构类型
（3）差动变压器应用
力和力矩的测量 微小位移的测量 压力测量 加速度传感器
四 压电式传感器工作原理
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产 生电荷的压电效应为转换原理的传感器。
压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用 时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷 ；当外力作用除去时，又恢 复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极 性也随着改变，这种现象称为压电效应。
④ 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当 U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻 应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出 现蠕变和零漂。
⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出 电压。
单臂电桥：即R1桥臂变化ΔR
略去分母中的ΔR1/R1项 ,假设ΔR1/R1<<1
理想的线性关系：
• 压电半导体 • 高分子压电材料
石英晶体的压电效应
• 是二氧化硅单晶，属于六角晶系。
石英晶体优点：
• 它的介电常数和压电常数的温度稳定性
很好；
• 工作温度范围很宽； • 机械强度高，可承受108Pa的压力； • 在冲击作用下，漂移也很小； • 弹性系数较大。
可用于测量大量程的力和加速度
压电陶瓷的压电效应
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面 聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以 压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的 各种物理量。
常用的压电材料
• 石英晶体 • 水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、
磷酸二氢钾等）
• 铌酸锂晶体 • 压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅
系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）
d
)
1 d 2
d
若△d/d<<1时，则上式可简化为
非线性关系
d C C0 C0 d
最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性
2. 变面积型电容传感器
当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为
C

C
C0

0 r
(a x)b d
△C与△x间呈线性关系
差动式电感传感器
• 为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。
• 要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电
气参数和几何尺寸完全相同。
差动式优点：
1、线性好；
2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时， 输出信号大一倍；
3、温度变化、电源波动、外界干扰等对 传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；
• 是一种多晶体电体，具有电畴结构的压电材
料。电团是分子自发形成的区域，它有一定 的极化方向。
压电式传感器的应用
• 压电式力传感器 • 压电式压力传感器 • 压电式加速度传感器
四 传感器测量电路
电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电 感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量 电路。
电桥电路按其所采用的激 励电源类型
第一章 传感器及其应用
—常用传感器工作原理和测量电路—
一 电阻式传感器工作原理
❖电阻式传感器测量原理:
被测的非电量
ΔR
电量输出
❖其基本原理为：设有一根长度为L，截面
积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电
阻值R可用下式表示：
R l
A
三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ， 如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变 化，构成不同电阻传感器：
4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能 够相互抵消而减小。
2 差动变压器传感器（互感）
互感式传感器本身是其互感系数可变的变 压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次 侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时， 输出电压将作相应变化。一般，这种传感器 的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的 ，故常称之为差动变压器式传感器。
S ε
变极距(δ）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l)
1. 变极距型电容传感器
初始电容 若极距缩小△d
C0

0r s
d
d
C

C0

C

0 r s
d d
C0 d
1 d
C0 (1
电容式角位移传感器
当θ=0时
C0

0 r s0
d0
当θ≠0时
C

0r s0 (1
d0

)

C0

C0

传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系
3. 变介电常数型电容式传感器
电容式液位传感器
初始电容
C0

2H
D
ln
d
电容与液位的关系为：
C

2 1 h D

2 (H D

U 4
R1 R

R2 R

R3 R

R4 R

U0

UK 4
1
2
3
4
① ΔRi<< R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 ② 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压
应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应 变极性不同，则输出电压为两者之和。
③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之 和；反之则为两者之差。
U
' 0

U 4

R R
实际输出电压：
U0
U
R

U

R
1
1

R 1
4R 2R 4 R 2 R
电桥的相对非线性误差：


U0
U
' 0
1
1
1 2

R R
1

1 1
1 2

R R
1

1 2

R R


1 2
K
半桥差动电桥
直流电桥 交流电桥
工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电 桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。
1 直流电桥
直流电桥
桥路输出
IL
U
RL (R1

R2 )( R3

R1R4 - R2 R3 R4 ) R1R2 (R3
R4 )
R3R4 (R1

R2 )
（1）平衡电桥：IL=0时
Z Z
当ωC＞＞R' 时，上式可近似为：
•
• U C Uo
2C
交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。
变压器电桥电路
➢电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电 桥 ➢它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差 动电容或差动电感分别接在另两个臂
1、长度L发生变化——电位器式传感器；
2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变
片传感器；
3、电阻率ρ发生变化——热敏电阻、光导 性光检测器等。
电位器式传感器
➢通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长
度变化，从而改变电阻值大小，进而再 将这种变化值转换成电压或电流的变化 值。
➢电位器式传感器 分为直线位移型、 角位移型和非线性 型等，如图所示。
采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时有：
U0
U
R(R1 R2 R3 R4 ) R1R4 R2R3 (2R R1 R2 )(2R R3 R4 )
当ΔRi<< R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则
U0
有
Z1

Z2

Z

ห้องสมุดไป่ตู้
R
1
jC
由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两
差动电容，
Z1 Z Z
Z2 Z Z
电桥的输出电压为：
•
Uo

Z1 Z1 Z2
•
U
R1
•
U
R1 R2

Z1
2R RZ1 Z Z1 Z2 2R
2
•
U
•
U 2
交流电桥的平衡条件为：
Z1Z4 Z 2Z3
电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路
电阻交流电桥
1、单臂电阻； 2、等臂差动电桥 ； 3、全桥交流电桥。
电感电桥
两相邻桥臂为电感L1和L2，另两
臂为纯电阻R1和R2，其中R
为电感线圈的有功电阻。
1
和
R2
若设Z1、Z2为传感器阻抗 且 R1 R2 R