《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 3 检测仪表 13.检测仪表第一节检测仪表的构成和设计方法3 检测仪表 2基本要求基本要求l掌握检测仪表的组成掌握检测仪表的组成l掌握掌握信号变换的基本形式信号变换的基本形式l信号变换的方法及相应的转换元件信号变换的方法及相应的转换元件位移位移电信号电信号电阻电阻电压电压电容电容电压电压电压电压电流电流3 检测仪表 33.1.1检测仪表的组成和检测系统的结构形式检测仪表的组成和检测系统的结构形式1.1.检测仪表检测仪表(系统系统)的组成的组成检测仪表检测仪表就是在敏感元件的基础上配上适当的转换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。出易于被常规仪表或装置接受的信号。敏感敏感元件元件变换变换处理处理传输传输显示显示数据存储数据存储计算机控制系统计算机控制系统3 检测仪表 42.结构形式结构形式l一体化型仪表一体化型仪表:敏感元件、信号变换和显示敏感元件、信号变换和显示装置等为一个整体，使用时不能分开。装置等为一个整体，使用时不能分开。例如：玻璃体温计例如：玻璃体温计l组合型仪表：组合型仪表：敏感元件、信号变换和显示装敏感元件、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。合使用，构成检测系统。例如：热电偶检测系统例如：热电偶检测系统3 检测仪表 53.1.2检测仪表的设计方法检测仪表的设计方法(稳定性和可靠性）稳定性和可靠性）按结构形式来分主要有四类：按结构形式来分主要有四类：l直接串联式（直接变换式）直接串联式（直接变换式）l差动式差动式l参比式参比式l平衡（反馈）式平衡（反馈）式3 检测仪表 61.直接串联式直接串联式（1）实施方式）实施方式测量信息单向流动。测量信息单向流动。如，热电偶、光电池如，热电偶、光电池如，热敏电阻、气敏电阻如，热敏电阻、气敏电阻3 检测仪表 7如，粘贴式应变压力传感器。如，粘贴式应变压力传感器。R1R2F转换电路转换电路3 检测仪表 8（2）特性分析）特性分析l准确度低准确度低l线性度差线性度差l各个模块间的阻抗需匹配各个模块间的阻抗需匹配l结构简单、工作可靠、价格便宜结构简单、工作可靠、价格便宜3 检测仪表 92.差动式变换差动式变换用两个性能完全相同的转换元件，感受敏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（常见的是相同但沿反方向变化的物理量（常见的是电路参数量）。电路参数量）。差动式结构提高了检测仪表（系统）的灵差动式结构提高了检测仪表（系统）的灵敏度和线性度敏度和线性度.差动变换形式差动变换形式3 检测仪表 10 差动式变压器差动式变压器 差动式电容器差动式电容器图图1图图23 检测仪表 11差动式变换的特性分析差动式变换的特性分析3 检测仪表 12差动式变换的特性分析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；有效输出信号比简单直接变换式提高一倍；改善了检测仪表的非线性；改善了检测仪表的非线性；特点特点l不能克服敏感元件受环境的影响不能克服敏感元件受环境的影响l灵敏度较高灵敏度较高l线性度较高线性度较高3 检测仪表 133.参比式参比式参比式也称参比式也称补偿式补偿式。采用这种变换的目的是为了消除条件变化对敏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，参比式变换采用两个性能完全相同的检测元件，其中一个检测元件既感受敏感元件的输出，又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。感受环境条件量，另一个只感受环境条件量。举例举例结构形式结构形式 3 检测仪表 14参比式变换的特性分析参比式变换的特性分析l特点特点能够克服环境变化引起的误差能够克服环境变化引起的误差不能克服非线性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两个检测元件的性能要求完全一致，否则会引起附加误差3 检测仪表 154.平衡（反馈）式变换平衡（反馈）式变换（1）结构形式）结构形式 平衡式变换也称反馈式变换，是指信号变换环节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。（包括转换元件和转换电路）为闭环式结构。3 检测仪表 16（2）有差随动变换）有差随动变换（3）无差随动变换）无差随动变换3 检测仪表 17（4）平衡式变换的特性分析）平衡式变换的特性分析l有差随动式变换有差随动式变换3 检测仪表 18l无差随动式变换无差随动式变换3 检测仪表 193.1.3检测仪表中常见的信号变换方法检测仪表中常见的信号变换方法 1.位移与电信号的变换位移与电信号的变换典型的位移典型的位移电信号转换元件电信号转换元件（1）霍尔元件）霍尔元件（2）电容器）电容器（3）差动变压器）差动变压器 3 检测仪表 l(1)霍尔元件 l UH=KHIB203 检测仪表 21（2）电容器：）电容器：电容式压力（差压）传感器电容式压力（差压）传感器实质：实质：位移传感器，位移传感器，它利用弹性膜片在压它利用弹性膜片在压力下变形所产生的位力下变形所产生的位移来改变传感器的电移来改变传感器的电容（此时膜片作为电容（此时膜片作为电容器的一个电极）。容器的一个电极）。3 检测仪表 22(3)差动变压器差动变压器-互感式传感器互感式传感器 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。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，当互感受外界流电压，次级线圈感应出电信号，当互感受外界影响变化时，其感应电压也随之起相应的变化，影响变化时，其感应电压也随之起相应的变化，由于它的由于它的次级线圈接成差动的形式次级线圈接成差动的形式，故称为差动，故称为差动变压器。变压器。*3 检测仪表 23工作原理工作原理 差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W W1 1（也称励磁线圈）和一个次级线圈（也称励磁线圈）和一个次级线圈W W2 2（也叫输出线（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圈）。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压U Usrsr，两个次级线圈则按电势反相串联。，两个次级线圈则按电势反相串联。*3 检测仪表 24e=ee=e1 1-e-e2 2*3 检测仪表 25S2S1匝数为匝数为W的的线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁Usr（4 4）其他转换元件或方法）其他转换元件或方法利用线圈自感原理把位移转换成电感量的变化利用线圈自感原理把位移转换成电感量的变化 电感器电感器-自感式传感器自感式传感器*3 检测仪表 26 由于改由于改变变和和A A都是使气隙磁阻都是使气隙磁阻变变化，从而使化，从而使电电感感发发生生变变化，所以化，所以这这种种传传感器也叫感器也叫变变磁阻式磁阻式传传感感器器。电电感感式传感器分为式传感器分为:变气隙厚度变气隙厚度的传感器的传感器 变气隙面积变气隙面积A的传感器的传感器 使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器式电感传感器*3 检测仪表 27可变可变磁阻式磁阻式变面积型变面积型传感器传感器*3 检测仪表 28可变可变磁阻式磁阻式变气隙型变气隙型传感器传感器*3 检测仪表 29（4 4）其他转换元件或方法）其他转换元件或方法l光学法光学法 首先将位移量转换成光强的变化，进一步用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。光敏元件把光信号转换成电信号。反射法反射法透射法透射法*3 检测仪表 302.电阻与电压电阻与电压（或电流）（或电流）的变换的变换一是外加电源，并和被测电阻一起构成回路，测一是外加电源，并和被测电阻一起构成回路，测量回路中的电流或某一固定电阻上的压降，这是量回路中的电流或某一固定电阻上的压降，这是典型的典型的串联式转换电路串联式转换电路；初始输出不为零初始输出不为零易受环境温度及引线电阻的影响易受环境温度及引线电阻的影响灵敏度不高灵敏度不高另一种方法是利用电桥进行转换另一种方法是利用电桥进行转换可以保证初始值为零可以保证初始值为零对敏感元件进行温度补偿对敏感元件进行温度补偿降低非线性误差，提高灵敏度降低非线性误差，提高灵敏度*3 检测仪表 31所以，所以，直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件：R R1 1R R4 4=R R2 2R R3 3 或或相对相对两臂电阻的两臂电阻的乘积相等乘积相等,或或相邻相邻两臂电阻的比值应两臂电阻的比值应相等。相等。电桥以直流电源供电，故电桥以直流电源供电，故称为称为直流电桥直流电桥。(1)不平衡电桥的电压灵敏度不平衡电桥的电压灵敏度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单位电阻相对变化量引起电桥输出电压的大小。的大小。*3 检测仪表 32等臂电桥、单臂工作等臂电桥、单臂工作初始状态时，初始状态时，R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4=R R，称为等臂电桥。，称为等臂电桥。电压灵敏度电压灵敏度近似线性关系近似线性关系全等臂四分之一电桥全等臂四分之一电桥*3 检测仪表 33 提高灵敏度的措施：提高灵敏度的措施：电桥电电桥电源源电压电压越高，越高，输输出出电压电压的灵敏度越高。的灵敏度越高。但但提提高高电电源源电电压压使使应应变变片片和和桥桥臂臂电电阻阻功功耗耗增增加加，温温度度误误差增大。一般差增大。一般电电源源电压电压取取3 36V6V为为宜。宜。*3 检测仪表 34输出电压非线性误差输出电压非线性误差 上面在上面在讨论电桥讨论电桥的的输输出特性出特性时时，应应用了近似条件，用了近似条件，才得出才得出线线性关系。性关系。全等臂四分之一电桥全等臂四分之一电桥输出电压的精确值为输出电压的精确值为 相对非线性误差相对非线性误差为：为：*当当=10%时时,得到非线性误差得到非线性误差=5%3 检测仪表 35第一对称电桥第一对称电桥、单臂工作、单臂工作R1=R2，R3=R4，则称为第一对称电桥。，则称为第一对称电桥。设设R1有一增量有一增量R，电桥输出电压为，电桥输出电压为输出电压与应变成正比。输出电压与应变成正比。第一对称电桥的输出电第一对称电桥的输出电压与等臂电桥相同，非压与等臂电桥相同，非线性误差相同。线性误差相同。电压灵敏度电压灵敏度*3 检测仪表 36 一般消除非线性误差的方法是：一般消除非线性误差的方法是：采用差动电桥采用差动电桥 如果两个应变片同时参与测量，则称为如果两个应变片同时参与测量，则称为半桥半桥测量测量。半桥差动半桥差动 四个桥臂都由应变片组成，且都产生适当的四个桥臂都由应变片组成，且都产生适当的电阻变化，即为电阻变化，即为全桥测量全桥测量。全全桥差动桥差动采用采用差动电桥差动电桥是消除非线性误差的有效措施。是消除非线性误差的有效措施。*3 检测仪表 37等臂电桥、双臂工作等臂电桥、双臂工作半桥差动半桥差动v相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少相邻桥臂，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，称为个受拉，另一个受压，称为半桥差动电路半桥差动电路.R1+R1R2-R2R3R4UoE*3 检测仪表 38 电桥输出电压为电桥输出电压为 设设平衡平衡时时R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4=R R，R R1 1=R R2 2=R R,带带入上式化入上式化简简则则 结论：结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏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。度比单臂电桥提高了一倍。线性关系线性关系电压灵敏度电压灵敏度*3 检测仪表 39等臂电桥、四臂工作等臂电桥、四臂工作全桥差动全桥差动v四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反R1+R1R2-R2UoER3-R3R4+R4*3 检测仪表 40设设电电桥桥各各臂臂均均有有相相应应的的电电阻阻变变化化量量大大小小为为R1、R2、R3、R4时时R1=R2=R3=R4=R,此时电桥输出可写为此时电桥输出可写为 线性关系线性关系 结论：结论：全桥电路电压灵敏度可提高为单臂桥的全桥电路电压灵敏度可提高为单臂桥的4倍，倍，并且消除了非线性误差。并且消除了非线性误差。电压灵敏度电压灵敏度*3 检测仪表 41 电流灵敏度：电流灵敏度：单位被测电阻变化时所获得的输出单位被测电阻变化时所获得的输出电流值。电流值。(2)不平衡电桥的电流灵敏度不平衡电桥的电流灵敏度RTHRLETHACACEBD(3)不平衡电桥的特性分析不平衡电桥的特性分析*3 检测仪表 42l电桥的电源电压和功率电桥的电源电压和功率l电桥的工作方式电桥的工作方式l电桥的阻值电桥的阻值(4)不平衡电桥的设计不平衡电桥的设计*3 检测仪表 43电桥的电源电压和功率电桥的电源电压和功率 从敏感元件的允许耗散功率从敏感元件的允许耗散功率PTg考虑电源电压的大小。考虑电源电压的大小。AEBD电源电压电源电压电源功率电源功率*C3 检测仪表 44电桥的工作方式电桥的工作方式l提高灵敏度、减小非线性提高灵敏度、减小非线性：四臂、双臂电桥优于单臂电桥：四臂、双臂电桥优于单臂电桥l等臂、单臂工作与第一对称、单臂工作电桥的选择：等臂、单臂工作与第一对称、单臂工作电桥的选择：电源的功耗应尽量小电源的功耗应尽量小*AEBDC3 检测仪表 45电流输出时，输出电流尽量大，提高灵敏度电流输出时，输出电流尽量大，提高灵敏度等臂电桥、单臂工作等臂电桥、单臂工作第一对称、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。耗等多个因素来确定电桥的工作方式。*3 检测仪表 46电桥的电阻电桥的电阻(第一对称电桥第一对称电桥)a）电压输出：）电压输出：根据减小电源功耗的原则选择电阻根据减小电源功耗的原则选择电阻b）电流输出：）电流输出：lR10和负载电阻和负载电阻RL已知，已知，负载电阻和电桥电阻需达负载电阻和电桥电阻需达到最佳匹配。到最佳匹配。l负载电阻不确定时，负载电阻不确定时，在电源功耗允许的条件下，在电源功耗允许的条件下，选取小的选取小的R30，使输出电流最大；同时要满足负载，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。电阻和电桥电阻达到最佳匹配。*3 检测仪表 473.电容电压的变换电容电压的变换（1）桥式电路）桥式电路(调幅电路）调幅电路）l单臂接法单臂接法平衡条件平衡条件当当Cx发生变化时，输出电压发生变化时，输出电压*3 检测仪表 48l差动接法差动接法 将将电容式传感器电容式传感器接入交流电桥两个相邻臂，另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。两个二次线圈。变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻小，因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。此目前较多采用。调幅电路调幅电路*3 检测仪表 49 当交流当交流电桥处电桥处于平衡位置于平衡位置时时，电电容容传传感器起始感器起始电电容量容量C C1 1与与C C2 2相等，两者容抗相等（忽略相等，两者容抗相等（忽略电电容器内阻）。容器内阻）。电电容容传传感器工作在平衡位置附近，有感器工作在平衡位置附近，有电电容容变变化量化量输输出出时时C C1 1C C2 2，则则Z Z1 1Z Z2 2，则则 差动式差动式*3 检测仪表 50次次级线级线圈感圈感应电动势为应电动势为E，则传则传感器空感器空载时输载时输出出电压为电压为 工作工作时时 线性关系线性关系*3 检测仪表 51 2）输输出出电压电压除与被除与被测测量量变变化化d有关外，有关外，还还与与电桥电电桥电源源电电压压有关，要求有关，要求电电源源电压电压采取采取稳稳幅和幅和稳频稳频措施。措施。3）因）因电桥输电桥输出出电压电压幅幅值值小，小，输输出阻抗高（出阻抗高（MW W级级），其），其后必后必须须接高接高输输入阻抗放大器才能工作。入阻抗放大器才能工作。1）输出电压）输出电压Usc的幅值与被测量成正比的幅值与被测量成正比调幅电路。调幅电路。*3 检测仪表 52变压器电桥变压器电桥*3 检测仪表 53（2 2）差动脉宽调制电路）差动脉宽调制电路工作原理：工作原理：传传感器的电容器感器的电容器充放电时，电充放电时，电容量的变化使容量的变化使电路输出的脉电路输出的脉冲宽度随之变冲宽度随之变化，经低通滤化，经低通滤波器得到与被波器得到与被测量变化相应测量变化相应的直流信号。的直流信号。工作过程工作过程工作过程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。动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。初值初值初值初值C C1 1=C=C2 2R 双稳双稳 Q态触态触S 发器发器 QA1A2USCUPC1C2D1R1R2D2ABMN+U101010*3 检测仪表 54UAU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUp0tT1UNUp0tT2UMUp0tT1UNUp0tT2时序图时序图设设C C1 1CC2 2,C,C1 1充电速度慢于充电速度慢于C C2 2充电速度，充电速度，U UA A持续时间长于持续时间长于U UB B的持续时间。的持续时间。所以所以通过检测通过检测输出脉冲的宽度，就可以反映电容量的变化输出脉冲的宽度，就可以反映电容量的变化。C C1 1=C=C2 2C C1 1C C2 2*3 检测仪表 55 C C1 1与与C C2 2的的变变化由被化由被测测量量变变化引起。化引起。经经A A与与B B 两端两端输输出出电压电压U UABAB，再，再经经低通低通滤滤波器得到一个由被波器得到一个由被测测量量变变化决定的直流化决定的直流电压电压U Uscsc，表示，表示为为 设设R R1 1=R R2 2=R R，则则有有 结论结论：输输出出电压电压与与传传感器感器电电容容变变化量的代数和（两化量的代数和（两电电容的差容的差值值）成正比（）成正比（C C1 1与与C C2 2为为差差动动式）。式）。*3 检测仪表 56 设设电电容容C1和和C2的的极极间间距距离离和和面面积积分分别别为为 d1、d2和和S1、S2，将将平平行行板板电电容容公公式式代代入入上上式式，对对差差动动式式变变极极距距型型和和变变面积型面积型电容式传感器可得电容式传感器可得 特特性性：差差动动脉脉冲冲调调宽宽电电路路能能适适用用于于任任何何差差动动式式电电容容式式传感器传感器，并具有理论上的，并具有理论上的线性特性线性特性。这是十分可贵的性质。这是十分可贵的性质。*3 检测仪表 57 (3)运算放大器式运算放大器式电电路路 将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电将电容传感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。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，在开由运算放大器工作原理可知，在开环环放大倍数放大倍数为为A和和输输入阻抗入阻抗较较大的情况下，有大的情况下，有 若把若把Cx=e eA/dx代入代入负负号表示号表示输输出出电压电压usc与与电电源源电压电压u相位相反。相位相反。*3 检测仪表 58突出特点：突出特点：v克服了变极距型电容传感器的非线性。克服了变极距型电容传感器的非线性。从原理上保障从原理上保障了变极距型电容式传感器的线性。了变极距型电容式传感器的线性。vUSC与与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压源、高质有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容量电容C C0v特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。v缺点缺点1 1、该电路没有零输出。、该电路没有零输出。2 2、寄生电容产生扰动。、寄生电容产生扰动。(4)谐振电路（自学）谐振电路（自学）*3 检测仪表 594.电压电流转换电压电流转换（1）电压）电压电流的转换电流的转换 由图可得由图可得 输出电流与输出电流与 输入电压之输入电压之 间的关系为：间的关系为：*3 检测仪表 601)最常见的电压最常见的电压电流转换电路电流转换电路 当输入电当输入电 压为压为 时时 输出电流输出电流 为：为：*3 检测仪表 61-2)另一个电压另一个电压电流转换电路电流转换电路R3R1UiAR2R4RL R7UzI0UB*3 检测仪表 62（2）电流）电流电压的转换电压的转换 1）输出电压与）输出电压与 输入电流之输入电流之 间的关系为：间的关系为：RfRiIAuo*3 检测仪表 63（1）电流）电流电压的转换电压的转换 2）输出电压与）输出电压与 输入电流之输入电流之 间的关系为：间的关系为：R0iIAuoR2R1*