传感与检测技术1-2-电桥电路

1.2传感器基本知识及电桥电路1.2.1传感器的分类1.2.2传感器的特性参数1.2.3传感技术的发展趋势1.2.4传感器中常用的基本测量电路——电桥电路传感器是一门知识密集型技术，传感器原理各异，学科广泛，种类繁多，一般可用如下方法分类:（1）按照被测物理量分类，可分为温度、压力、湿度、位移、流量、液位传感器等。（2）按照工作原理分类，可分为参量传感器（如电阻传感器、电容传感器等）、发电传感器（如光电式传感器、热电偶传感器等）、脉冲传感器（如光栅、磁栅式传感器等）及特殊传感器（如光纤传感器、超声波传感器等）。（3）按照输出信号的性质可分为模拟式和数字式传感器。1.2.1传感器的分类（4）按传感器输出能量关系分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。如:压电式、热电式、电磁式传感器等。无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源(电能)。如:电阻式、电容式和电感式传感器等。（5）其他：按用途、学科、功能等进行分类。1.2.1传感器的分类理想的传感器应该具有如下特点：（1）传感器的输出量仅对特定的输入量敏感。（2）传感器的输出量与输入量呈惟一的、稳定的对应关系，且最好是线性关系。（3）传感器的输出量可实时反映输入量的变化。在实际应用中，传感器是在特定而具体的环境中使用的，因此传感器本身的结构、电子电路器件、电路系统结构以及各种环境因素的存在均可能影响到传感器的整体性能。1.2.2传感器的特性参数传感器所测量的非电量是处在不断的变动之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地变换成相应的电量，取决于传感器的输入-输出特性。传感器的这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。传感器的静态特性是指传感器转换的被测量数值处在稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：灵敏度、线性度、响应特性、稳定性和精度等。1.2.2传感器的特性参数1.灵敏度传感器的灵敏度：稳态下输出增量Δy与输入增量Δx的比值，常用Sn表示：nySx对线性传感器而言，灵敏度是一个常数；对于非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化，如图所示。（a）（b）传感器特性曲线（a）线性传感器特性曲线；非线性传感器特性曲线1.2.2传感器的特性参数2.线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的量程愈大。max100%FSEy传感器线性度非线性误差又称线性度，公式为：1.2.2传感器的特性参数3.频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。在动态测量中，应考虑到信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过大的误差。4.稳定性传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的特性。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了保证稳定性，在选用传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择合适的传感器类型。1.2.2传感器的特性参数5.精度传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。6.其他选用原则除上述特性参数外，传感器的迟滞、重复性及环境特性也是选用传感器时应考虑的重要因素。传感器的迟滞传感器在正向行程和反向行程期间，输出-输入特性曲线不重合的程度。重复性指在同一工作条件下输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性，重复性所反映的是测量结果偶然误差的大小。1.2.2传感器的特性参数1.发现新现象，开发新材料半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料、智能材料等。2.集成化，多功能化集成化有两个含义：（1）同一功能的多元件并列化；（2）多功能一体化。多功能化：如机器人六维力传感器，温、气、湿三功能陶瓷传感器；3.向未开发的领域挑战填补空白：检测微弱信号是其发展方向。仿生研究：研究其原理，自然界很多动物的感官功能，超过了当今能实现的范围。4.智能传感器智能化：传感器与微处理器结合，智能传感器又称SmartSensors。1.2.3传感器的发展趋势电桥电路在传感器的测量中应用很广泛，它可以把电阻的变化转换为电压的变化。电桥电路按照不同的分类方法可以分为以下几种类型。1.2.4电桥电路1.按电源的性质分类按照电源的性质分，可分为直流电桥和交流电桥两种类型。图1为直流电桥电路图。1）直流电桥平衡条件，当RL→∞时，电桥输出电压:310123411RRUERRRR（）当电桥平衡时,U0=0，所以:R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4(1-2)1.2.4电桥电路电压灵敏度若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:3142341101123411234`14131412411234113()()()13()()(1)(1)RRRRRRRRRUEERRRRRRRRRRRRRRRREERRRRRRRRRRR设桥臂比n=R2/R1,由于ΔR1R1,可得:1.2.4电桥电路10021U141RnUERn（）0211151VUnSERnR（）分析(1-5)式：①电桥的灵敏度SV正比于供桥电压E。②电桥的灵敏度SV是桥臂比的函数。当供桥电压E确定后，由1.2.4电桥电路求得n=1时，SV为最大。即：在当供桥电压E确定后，当R1=R2、R3=R4时，电桥的灵敏度最高。24100(1)VSnnn1.2.4电桥电路此时，可分别将（1-3）式、（1-4）式、（1-5）式简化为：1011111161412RUERRR（）1011174RUER（）1184VSE（）结论：当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。1.2.4电桥电路2）交流电桥平衡条件，交流电桥输出电压为：3112341423123419SCSRZZUUZZZZZZZZZZZZ（）所以桥路平衡条件为：31142324Z110ZZZZZZZ或（）1.2.4电桥电路2.按桥臂的工作数量分类按桥臂的工作数量分，可分为单臂电桥、双臂电桥和全桥。1）单臂电桥在单臂电桥中，R1为受力应变片，其余各臂为固定电阻。2）双臂电桥在双臂电桥中，R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都由应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路。1.2.4电桥电路当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：3110112234RRRUERRRRRR（1-11）若，，则：432121RRRRRR，，10111122RUER（）结论：U0与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度SV=E/2，比使用单只应变片提高了一倍。1.2.4电桥电路3）全臂若满足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，则输出电压为：110RREU可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度SV=E是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。小结1.传感器原理各异，种类繁多，一般可用如下方法分类:被测物理量、工作原理、输出信号的性质、输出能量关系等；2.传感器的输入-输出特性可用静态特性和动态特性来描述，传感器静态特性的主要技术指标有：灵敏度、线性度、响应特性、稳定性和精度等；3.传感器的主要发展方向：开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。4.电桥电路（1）直流电桥与交流电桥；（2）单臂、双臂、全臂电桥。