检测仪表的构成和设计方法.ppt

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1、1,3.检测仪表,第一节检测仪表的构成和设计方法,2,基本要求,掌握检测仪表的组成 掌握信号变换的基本形式 信号变换的方法及相应的转换元件 位移电信号 电阻电压 电容电压 电压电流,*,3,3.1.1检测仪表的组成和检测系统的结构形式,1.检测仪表的组成,检测仪表就是在敏感元件的基础上配上适当的转换元件或转换电路后能直接显示被测量的大小或能输出易于被常规仪表或装置接受的信号。,*,4,2.结构形式,一体化型仪表:敏感元件、信号变换和显示装置等为一个整体，使用时不能分开。 如，体温计 组合型仪表：敏感元件、信号变换和显示装置等是分开的，可以单独使用，也可以组合使用，构成检测系统。 如，热电偶检测

2、系统,*,5,3.1.2检测仪表的设计方法 信号变换按结构形式来分主要有四类： 简单直接式变换 差动式变换 参比式变换 平衡（反馈）式变换 。,*,6,1.简单直接式变换,（1）结构形式,对敏感元件的要求：将被测量转换成电量 如，热电偶、光电池。 如，热敏电阻、气敏电阻,*,7,如，粘贴式应变压力传感器。,转换电路,*,8,在参数检测中，常用到的中间物理量主要有位移、光量和热量等 相应的转换元件有应变片、电感、电容、霍尔元件、光电器件和热敏元件等,*,9,（2）转换电路的信息能量传递 检测元件根据是否需要外加能源分为两类：有源的和无源的,*,10,有源检测元件与转换电路,何时取最大值,检测电路

3、,转换电路,有效功率,信息能量传递效率较低,*,11,有源检测元件与转换电路,检测电路,转换电路,有效电压,当负载电阻无穷大时，电压灵敏度最高,*,12,无源检测元件与转换电路,被测参数电阻、电容、电感阻抗电压、电流,*,13,无源检测元件与转换电路,有功功率增量,比有源检测元件的信息能量传递效率还低,何时取最大值,提高负载上有功功率的措施：电阻匹配、提高电阻相对变化量、提高短路功率。,*,14,电桥转换电路及等效电路,*,15,电桥转换电路及等效电路,何时转换电路RL上获得的有功功率最大？ RL的电压灵敏度何时最大？,*,16,（3）简单直接式变换式仪表的特点,准确度低 线性度差 能量传递效

4、率低 结构简短，工作可靠,*,17,2.差动式变换 用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同但沿反方向变化的物理量（常见的是电路参数量）。 差动式结构提高了检测仪表（系统）的灵敏度和线性度，减小或消除了环境等因素的影响。,差动变换形式,*,18,差动式变压器 差动式电容器,图1,图2,*,19,差动式变换的特性分析 有效输出信号比简单直接变换式提高一倍 特点 不能克服敏感元件受环境的影响 灵敏度较高 线性度较高,*,20,3.参比式变换 参比式变换也称补偿式变换。 采用这种变换的目的是为了消除条件变化对敏感元件的影响 参比式变换采用两个性能完全相同的检测元件

5、，其中一个检测元件既感受敏感元件的输出，又感受环境条件量，另一个只感受环境条件量。 举例,结构形式,*,21,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。 在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。,工作原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。,*,22,如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。,*,23,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电

6、桥输出电压为零，即 上式中：可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，由上式可知电桥的输出电压为零，即,=,可见,输出电压USC与温度无关。,*,24,当工作应变片感受应变时，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。电桥将产生相应输出电压：,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。,*,25,参比式变换的特性分析 特点 能够克服环境变化引起的误差 不能克服非线性 两个检测元件的性能要求完全一致，否则会引起附加误差,*,26,4.平衡（反馈）式变换 （1）结构形式 平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变换环节（包括转换元件和转换电路）为闭环式结构。

7、,*,27,（2）有差随动变换 （3）无差随动变换,*,28,炉温自动记录仪无差随动变换,*,29,（4）平衡式变换的特性分析 有差随动式变换,*,30,无差随动式变换,*,31,3.1.3检测仪表中常见的信号变换方法 1.位移与电信号的变换 温度测量中 双金属片 t x 压力测量中 弹性元件 p x 物位测量中 浮筒 H（f） x 流量测量中 转子流量计 q x,*,32,典型的位移电信号转换元件 （1）霍尔元件 （2）电容器 （3）差动变压器,*,33,（2）电容器：电容式压力（差压）传感器,实质：位移传感器，它利用弹性膜片在压力下变形所产生的位移来改变传感器的电容（此时膜片作为电容器的一

8、个电极）。,*,34,*,35,电容等效电路,*,36,极板间的电容关系,电容等效电路,*,37,低压侧电容的纵断面分析,电容与压力pH、pL的关系,*,38,挠度,低压侧电容的纵断面分析,电容与压力pH、pL的关系,*,39,电容与压力的关系,低压侧电容的纵断面分析,电容与压力pH、pL的关系,正比关系,*,40,此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。变送器 这种传感器的结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.250.05；可以测量压力和差压。,*,41,该系列产品采用世界上最成熟的电容传感器制造技术，通过专用的微处理器数字电路及通讯模块

9、，将被测介质的压力信号转换成4-20mADC模拟信号。,过程压力通过两侧或一侧隔离膜片，灌充液作用在敏感元件张紧的测量膜片上,测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组成一个电容器,在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置,两个电容器的电容量相等.当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,这种位移转变为电容极板上形成的差动电容.由电子线路把差动电容转换成4-20mADC的电流信号.,*,42,(3)差动变压器-互感式传感器 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。 差动变压器本身是一个变压器，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电信号，当互感受

10、外界影响变化时，其感应电压也随之起相应的变化，由于它的次级线圈接成差动的形式，故称为差动变压器。,*,43,结构1,绕线管,线圈组合,衔铁,+,-,+,-,*,44,(e)、(f) 变面积式差动变压器,(a)、(b) 变间隙式差动变压器,(c)、(d) 螺线管式差动变压器,结构2,*,45,工作原理 差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W1（也称励磁线圈）和一个次级线圈W2（也叫输出线圈）。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压Usr，两个次级线圈则按电势反相串联。,*,46,*,47,*,48,e=e1-e2,*,49,匝数为W的线圈,铁芯,衔铁,（4）其他转换元件或方法,利用线圈自感

11、原理把位移转换成电感量的变化,电感器-自感式传感器,*,50,工作原理：传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，根据定义，线圈的电感为 式中： W:线圈的匝数 I:线圈中的电流 ：磁路磁通 RM磁阻，它包括铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻， 铁磁材料各段磁阻之和，铁芯一定时，其值一定； li 各段铁芯长度； mi 各段铁芯的磁导率； Si 各段铁芯的截面积； Rd空气隙的磁阻， Rd = 2d/m0S。 S:气隙磁通截面积,所谓磁阻，它与电阻的含义相仿，磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用，以符号Rm表示。,*,51,即可得电感为 因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计

12、算时可忽略不计，这时有 当线圈及铁芯一定时，W 为常数，如果改变或S 时，L值就会引起相应的变化电感传感器的工作原理。,*,52,由于改变和S都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器。 电感式传感器分为: 变气隙厚度的传感器 变气隙面积的传感器 使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器,*,53,可变磁阻式变面积型传感器,*,54,可变磁阻式变气隙型传感器,*,55,（4）其他转换元件或方法 光学法 首先将位移量转换成光强的变化，进一步用光敏元件把光信号转换成电信号。 反射法 透射法,*,56,2.电阻与电压（或电流）的变换 一是外加电源，并和被测电阻一起构成回路，

13、测量回路中的电流或某一固定电阻上的压降，这是典型的串联式转换电路；如下图： 另一种方法是利用电桥进行转换,*,57,所以，直流电桥平衡条件：R1R4=R2R3 或 相对两臂电阻的乘积相等, 或相邻两臂电阻的比值应相等。,电桥以直流电源供电，故称为直流电桥。,(1)不平衡电桥的电压灵敏度,电压灵敏度:单位电阻相对变化量引起电桥输出电压的大小。,*,58,*,59,等臂电桥、单臂工作,初始状态时，R1=R2=R3=R4=R，称为等臂电桥。,电压灵敏度,近似线性关系,全等臂四分之一电桥,*,60,提高灵敏度的措施： 电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高。 但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，

14、温度误差增大。一般电源电压取36V为宜。,*,61,输出电压非线性误差 上面在讨论电桥的输出特性时，应用了近似条件，才得出线性关系。 全等臂四分之一电桥输出电压的精确值为 相对非线性误差为：,*,62,按幂级数展开,当=10%时,得到非线性误差=5%,*,63,第一对称电桥、单臂工作 R1=R2，R3=R4，则称为第一对称电桥。 设R1有一增量R，电桥输出电压为,输出电压与应变成正比。,第一对称电桥的输出电压与等臂电桥相同，非线性误差相同。,电压灵敏度,*,64,一般消除非线性误差的方法是：采用差动电桥 如果两个应变片同时参与测量，则称为半桥测量。 半桥差动 四个桥臂都由应变片组成，且都产生适

15、当的电阻变化，即为全桥测量。 全桥差动,采用差动电桥是消除非线性误差的有效措施。,*,65,等臂电桥、双臂工作半桥差动,相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少,将两个工作应变片接入电桥的相邻臂，并使它们一个受拉，另一个受压，称为半桥差动电路.,*,66,电桥输出电压为 设平衡时R1=R2=R3=R4=R，R1=R2 =R,带入上式化简则 结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。,线性关系,电压灵敏度,*,67,等臂电桥、四臂工作全桥差动,四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反,*,68,设电桥各臂均有相应的电阻变化量大小为R1、R2、R3、R4时 R1=R2=R3=R4 =R,此时电

16、桥输出可写为,线性关系,结论：全桥电路电压灵敏度可提高为单臂桥的4倍，并且消除了非线性误差。,电压灵敏度,*,69,*,70,举例1：,一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上下两面各贴两片相同的电阻应变片（K=2），如图所示。已知L=100mm、b=11mm、t=3mm，E=2*104N/mm2。现将四个应变片接入直流电桥中，电桥电源电压U=6V。已知应变计算公式为 ，当力F=0.5Kg时，求：,（1）根据应变片的位置，画出相应的测量桥路原理图（要求输出电压灵敏度最高）； （2）求各个应变片的应变,（3）求电阻的相对变化量,（4）若电桥供电电压U=6V， 求桥路的输出电压。,*,71,（

17、1）测量桥路原理图,*,72,解：,（2）应变绝对值相等：,（3）电阻相对变化量：,（4）等臂全桥电路的输出电压：,*,73,采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图所示，力F=1000Kg，圆柱断面半径r=1cm，弹性模量E=2107 N/cm2 ，泊松比=0.3。 （1）根据应变片在圆柱上的粘贴位置，画出相应的测量桥路原理图（要求输出电压灵敏度最高）； （2）求各个应变片的应变及电阻相对变化量。 （3）若电桥供电电压U=6V，求桥路输出电压。 提示：应力与应变的关系为： 电阻R1、R2的应变关系为2=-1,举例2：,，,*,74,(1) R1、R3沿轴向

18、在力F作用下产生正应变，R2、R4沿圆周方向帖则产生负应变。从而组成全桥测量电路可以提高输出电压灵敏度。,*,75,（2）各个应变片的应变及电阻的相对变化量。,*,76,(3)桥路的输出电压,*,77,电流灵敏度：单位被测电阻变化时所获得的输出电流值。,(2)不平衡电桥的电流灵敏度,(3)不平衡电桥的特性分析,*,78,电桥的电源电压和功率 电桥的工作方式 电桥的阻值,(4)不平衡电桥的设计,*,79,电桥的电源电压和功率,从敏感元件的允许耗散功率PTg考虑电源电压的大小。,电源电压,电源功率,*,80,电桥的工作方式,提高灵敏度、减小非线性 ：双臂、四臂电桥 等臂、单臂工作与第一对称、单臂工

19、作电桥的选择： 电源的功耗应尽量小,*,81,电流输出时，输出电流尽量大，提高灵明度,等臂电桥、单臂工作 第一对称、单臂工作,所以，需要综合考虑非线性、灵敏度和电源功耗等多个因素来确定电桥的工作方式。,*,82,电桥的电阻,a）电压输出：根据减小电源功耗的原则选择电阻 b）电流输出： R10和负载电阻RL已知，负载电阻和电桥电阻需达到最佳匹配。 负载电阻不确定时，在电源功耗允许的条件下，选取小的R30，使输出电流最大；同时要满足负载电阻和电桥电阻达到最佳匹配。,*,83,(6)交流电桥 电桥平衡时的条件为 Z1Z4 = Z2Z3,电桥以交流电源供电,*,84,*,85,3.电容电压的变换 （1

20、）桥式电路(调幅电路） 单臂接法 平衡条件 当Cx发生变化时，输出电压,*,86,差动接法 将电容式传感器接入交流电桥两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。 变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻小，因此目前较多采用。,调幅电路,*,87,当交流电桥处于平衡位置时，电容传感器起始电容量C1与C2相等，两者容抗相等（忽略电容器内阻）。 电容传感器工作在平衡位置附近，有电容变化量输出时C1C2，则Z1Z2，则 差动式,*,88,次级线圈感应电动势为E， 则传感器空载时输出电压为 工作时,线性关系,*,89,2）输出电压除与被测量变化d有关外，还与电桥电源电压有关，要求

21、电源电压采取稳幅和稳频措施。 3）因电桥输出电压幅值小，输出阻抗高（MW级），其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。,1）输出电压Usc的幅值与被测量成正比调幅电路。,*,90,变压器电桥,*,91,（2）差动脉冲宽度调制线路,工作原理：传感器的电容器充放电时，电容量的变化使电路输出的脉冲宽度随之变化，经低通滤波器得到与被测量变化相应的直流信号。,工作过程, 比较器的输出控制双稳态触发器的状态。双稳态触发器的输出提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。,初值C1=C2,1,0,1,0,*,92,时序图,设C1C2,C1充电速度慢于C2充电速度，UA持续时间长于UB的持续时间。所以通过

22、检测输出脉冲的宽度，就可以反映电容量的变化。,C1=C2,C1C2,*,93,C1与C2的变化由被测量变化引起。经A与B 两端输出电压UAB，再经低通滤波器得到一个由被测量变化决定的直流电压Usc，表示为 设R1 = R2 = R，则有 结论：输出电压与传感器电容变化量的代数和（两电容的差值）成正比（C1与C2为差动式）。,*,94,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为 d1、d2和S1、S2，将平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型和变面积型电容式传感器可得 特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性。这是十分可贵的性质。,*,95,无论是变间隙、变面积

23、电容传感器都能线性输出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。 差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求； 经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。,说明：,*,96,同相 输入端,反相 输入端,两个重要法则：,1、虚短：两输入端的电位差为零。 即： vd = vIP - vIN =0,2、虚断：流入两输入端的电流为零。 即： id =0, id =0iF = i1, vP = vN =0 ,vO = - iFRF,（3）运算放大器式电路,知识回顾：,*,97,(3)运算放大器式电路 将电容传感

24、器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成反相放大器。 由运算放大器工作原理可知，在开环放大倍数为A和输入阻抗较大的情况下，有 若把Cx=eA/dx代入 负号表示输出电压usc与电源电压u相位相反。,*,98,突出特点： 克服了变极距型电容传感器的非线性。从原理上保障了变极距型电容式传感器的线性。 USC与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容C0 特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。,(4)谐振电路（自学）,*,99,4.电压电流转换 （1）电压电流的转换 由图可得 输出电流与 输入电压之 间的关系为：,*,100,1)最常见的电压电流转换电路 当输入电 压为 时 输出电流 为：,*,101,-2)另一个电压电流转换电路,*,R1=R2=R3=R4 R4 RL,102,（2）电流电压的转换 1）输出电压与 输入电流之 间的关系为：,*,103,（1）电流电压的转换 2）输出电压与 输入电流之 间的关系为：,*,104,检测仪表的组成 信号变换的基本形式和信号变换的方法及相应的转换元件 位移电信号(利用霍尔元件、电容器、差动变压器、电感等) 电阻电压（利用电桥） 电容电压（电桥、脉宽调制电路、运放） 电压电流（运放） 电流电压（运放）,本节小结,*,105,作业,教材P339：1、2、5,*,