差动传感器和测量电桥基本介绍

1、差动传感器和测量电桥差动传感器和测量电桥2差动测量系统结构差动测量系统结构 作用：作用： 提高灵敏度提高灵敏度减少非线性误差减少非线性误差减少干扰的影响减少干扰的影响差动测量系统常用于电参量传感器（电阻式、电容式、电感式传感器）差动测量系统常用于电参量传感器（电阻式、电容式、电感式传感器）3差动电容传感器差动电容传感器n变气隙式、变面积式和变介电常数式三种电容传感器变气隙式、变面积式和变介电常数式三种电容传感器均可制成差动电容传感器。由于变气隙式电容传感器均可制成差动电容传感器。由于变气隙式电容传感器的非线性严重，实际上是很少使用的，通常制成差动的非线性严重，实际上是很少使用的，通常制成差动型

2、式，其常用结构见图。型式，其常用结构见图。变气隙式差动电容传感器原理变气隙式差动电容传感器原理差动电容式传感器差动电容式传感器2311000000001()().1ddddCCCCCdddddd2320200000001()().1ddddCCCCCdddddd351200002()()dddCCCCddd 0dd忽略忽略3次方以上非线性项次方以上非线性项002dCCd 灵敏度灵敏度002CCkdd同单个电容式传感器的灵敏度相比增加了同单个电容式传感器的灵敏度相比增加了1倍倍 变气隙式差动电容传感器仅含奇次方的非线性，因此其线性度得到变气隙式差动电容传感器仅含奇次方的非线性，因此其线性度得到很

3、大程度的改善。很大程度的改善。5脉冲调宽电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路的输出波形脉冲调宽电路的输出波形121211120122oCCCCUUUCCCCC差动式电感传感器差动式电感传感器 由于自感传感器具有初始电感，线圈流向负载的由于自感传感器具有初始电感，线圈流向负载的电流不为零，电流不为零，衔铁永远受有吸力，线圈电阻受温度影响引起温度误差，灵敏度低衔铁永远受有吸力，线圈电阻受温度影响引起温度误差，灵敏度低等等缺点。因此，实际中应用较少，常用缺点。因此，实际中应用较少，常用差动自感传感器差动自感传感器。 差动自感传感器：差动自感传感器：用两个相同的传感线圈共用一个衔铁用两

4、个相同的传感线圈共用一个衔铁, ,构成差构成差动式电感传感器动式电感传感器, ,这样可以提高传感器的灵敏度这样可以提高传感器的灵敏度, ,减小测量误差。减小测量误差。7 变气隙式差动自感传感器原理见图变气隙式差动自感传感器原理见图.它由一个公共衔它由一个公共衔铁和上、下两个对称的线圈铁和上、下两个对称的线圈L1和和L2组成。组成。 当衔铁向上位移当衔铁向上位移 ，在差动自感传感器中，电感，在差动自感传感器中，电感变化量：变化量：)()(250300021LLLL变气隙式变气隙式差动自感传感器的特性分析差动自感传感器的特性分析上式中第一项是线性项，其灵敏度为：上式中第一项是线性项，其灵敏度为：0

5、02LLk可见，差动自感传感器的灵敏度是简单自感传感器的可见，差动自感传感器的灵敏度是简单自感传感器的2倍。倍。差动自感传感器仅含奇次方非线性项，其三次方非线性误差为：差动自感传感器仅含奇次方非线性项，其三次方非线性误差为：230()100%l非线性得到很大的改善。非线性得到很大的改善。同理，变面积式和螺管式差动自感传感器也能得到提高灵敏度和改善线性同理，变面积式和螺管式差动自感传感器也能得到提高灵敏度和改善线性度的同样的结论。度的同样的结论。变气隙式差动自感传感器变气隙式差动自感传感器8n 压力传感器压力传感器图4-33 BYM型压力传感器9电阻传感器差动结构示意图电阻传感器差动结构示意图电

6、阻传感器原理：电阻传感器原理：/ RRK10梁臂式力传感器梁臂式力传感器11导线张力传感器导线张力传感器12 电桥: 将电阻（电感、电容或阻抗）参量的微弱变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。 电桥特点: 电路简单，较高的准确度和灵敏度，广泛使用 电桥分类：（4种方法）按照激励电源的性质：直流与交流电桥；按照输出方式：平衡式电桥与不平衡式电桥。与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。按照电源供电的方式：恒压源供电电桥和恒流源供电电桥。按照电桥的结构：单臂电桥、差动半桥、差动全桥。测量电桥测量电桥13 Z1,Z2,Z3,Z4 Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。为四个桥臂阻抗。A A，C C两

7、端接电压源，则在两端接电压源，则在B B，D D两两端输出不平衡电压端输出不平衡电压U UBDBD分别为：分别为： 恒压源供电：恒压源供电： 恒流源供电：恒流源供电：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I214231234ABADZ ZZ ZUUUEZZZZ14231234ABADZ ZZ ZUUUIZZZZ测量电桥的基本工作原理测量电桥的基本工作原理Z0Z电源ABCZ0Z0Z0DU将电桥的一个桥臂阻抗将电桥的一个桥臂阻抗接电参数型传感器的变接电参数型传感器的变换器换器(Z(Z0 0Z)Z)，其余三，其余三个臂的阻抗均恒定个臂的阻抗均恒定Z Z2 2=Z=Z3 3=Z=Z4 4=Z=Z0 0，单臂

8、电桥单臂电桥 两个桥臂与电参数型传感器的两两个桥臂与电参数型传感器的两个差动变换器相接，则构成差动个差动变换器相接，则构成差动半桥，即两个桥臂阻抗发生差动半桥，即两个桥臂阻抗发生差动变化变化(Z(Z0 0ZZ， ) )其余两个其余两个臂的阻抗均恒定臂的阻抗均恒定Z Z3 3=Z=Z4 4=Z=Z0 0， 差动半桥差动半桥 UZ0ZABCZ0Z0Z0 ZD电源若四个桥臂阻抗均为电参数若四个桥臂阻抗均为电参数型传感器的四个差动变换器，型传感器的四个差动变换器，且四个桥臂阻抗发生差动变且四个桥臂阻抗发生差动变化化(Z(Z0 0ZZ，Z Z0 0 ZZ，Z Z0 0ZZ，Z Z0 0 Z) Z)，则构

9、成，则构成差动全桥电路差动全桥电路 Z0Z电源ABCZ0ZZ0 ZZ0 ZDU0ZZ15电桥的静态特性（差动半桥）1423BD1234Z ZZ ZUEZZZZ10ZZZ输入差动变化：输入差动变化：20ZZZEABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2差动半桥差动半桥340ZZZ可得：可得：BD02ZUEZ01212BD01212()()2()2()ZZZZZUEEZZZZZ16电桥的静态特性o001412EZUeZZZo022EZUeZo04ZUEeZ单臂电桥：单臂电桥：差动半桥：差动半桥：差动全桥：差动全桥： 输入量输入量ZZ相同的情况下，差动半桥的输出近似为单臂电桥的两倍，相同的情况下，差动半桥的

10、输出近似为单臂电桥的两倍，差动全桥是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。差动全桥是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电o01414IUZeZZo22IUZeo4UIZe17电桥灵敏度S01412EKconstZZS2EK 单臂电桥：单臂电桥：差动半桥：差动半桥：差动全桥：差动全桥：0/oSUKZ Z灵敏度：灵敏度：SKE差动半桥的灵敏度近似为单臂电桥的两倍，差动全桥的灵敏度是差动差动半桥的灵敏度近似为单臂电桥的两倍，差动全桥的灵敏度是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。单臂电桥的灵敏度不为常数，具有非线性；单臂电桥

11、的灵敏度不为常数，具有非线性；差动半桥的灵敏度和差动全桥的灵敏度与差动半桥的灵敏度和差动全桥的灵敏度与Z Z无关且为常数，是理想的无关且为常数，是理想的直线。直线。恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电S001414IKZconstZZS02IKZS0KIZ18电桥对同符号干扰量的补偿特性(温度补偿）o01412TTZZEUZZZZ 10TZZZZ 单臂电桥：单臂电桥：2340ZZZZconst差动全桥：差动全桥：10TZZZZ 340ZZZconst20TZZZZ o0121TEZUZZZ差动半桥：差动半桥：10TZZZZ 20TZZZZ 30TZZZZ 40TZZZZ o011TZUEZ

12、ZZ差动电桥分子中没有差动电桥分子中没有Z ZT T，消除了，消除了Z ZT T对被测作用量对被测作用量Z Z的影响；分母中存的影响；分母中存在干扰量在干扰量Z ZT T，但以比值，但以比值Z ZT T/ Z/ Z很小很小, ,对输出影响很小。对输出影响很小。恒流源供电的差动全桥，输入输出特性没有干扰量，理论上无温度误差。恒流源供电的差动全桥，输入输出特性没有干扰量，理论上无温度误差。恒压源供电恒压源供电恒流源供电恒流源供电o01414TTZZIUZZZZ o01212TIUZZZoUIZ19电桥结论电桥结论 差动传感器与差动电桥相配合，能使测量系统具有更加优差动传感器与差动电桥相配合，能使测

13、量系统具有更加优良的特性；良的特性； 与单臂电桥相比，差动电桥与单臂电桥相比，差动电桥灵敏度更高、非线性误差更小，灵敏度更高、非线性误差更小，对同符号干扰有低偿作用；对同符号干扰有低偿作用；结论：结论： 恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差，恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差，对于易受温度对于易受温度影响传感器，可采用电流源供电。影响传感器，可采用电流源供电。20变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式的交流电桥如图所示。电桥的两臂变压器式的交流电桥如图所示。电桥的两臂 Z1 和和Z2 为为差动自感传感器中的两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器差动自感传感器中

14、的两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次线圈的两半（每一半的电压为二次线圈的两半（每一半的电压为 ），输出电压取自），输出电压取自A、B两点。假定两点。假定0点为参考零电位，则点为参考零电位，则A点的电压为：点的电压为：2/U211ZZZUUAB点的电位为：点的电位为：2UUB则有输出电压则有输出电压UZZZUUUBAo)21(211ZZZ21当衔铁处于中心位置时，由于两线圈完全对称，因此当衔铁处于中心位置时，由于两线圈完全对称，因此 ，代入上式，得：代入上式，得：0oU同理，当传感器衔铁上移同样大小的距离时，可推得：同理，当传感器衔铁上移同样大小的距离时，可推得：UZZUZZZUo2)212

15、(比较上两式可知，当衔铁向上移动和向下移动相同距离时，其输出大小相等，方比较上两式可知，当衔铁向上移动和向下移动相同距离时，其输出大小相等，方向相反。由于电源电压向相反。由于电源电压 是交流，所以尽管式中有正负号，还是无法加以分辨。是交流，所以尽管式中有正负号，还是无法加以分辨。U当衔铁向下移动时，下面线圈的阻抗增加，即当衔铁向下移动时，下面线圈的阻抗增加，即 ，而上面线圈的阻抗，而上面线圈的阻抗减小，即减小，即 ，故此时的输出电压为：，故此时的输出电压为：ZZZ1ZZZ2UZZUZZZUo2)212(22带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥带相敏整流的测量电桥带相敏整流的测量电桥当衔铁处

16、于中间位置时，当衔铁处于中间位置时， ，电桥处于平衡状态，输出电压，电桥处于平衡状态，输出电压 ；当衔铁上移，使上线圈阻抗增大，当衔铁上移，使上线圈阻抗增大， ，而下线圈阻抗减少，而下线圈阻抗减少 。设输入交流电压设输入交流电压 为为正半周正半周，即，即A点为正，点为正，B点为负，则二极管点为负，则二极管VD1、VD4导通，导通，VD2、VD3截止。在截止。在AECB支路中，支路中，C点电位由于点电位由于 的增大而比的增大而比平衡时平衡时C点的电位降低；在点的电位降低；在AFDB支路中，支路中，D点电位由于点电位由于 的降低而比的降低而比平衡时平衡时D点的电位增加，即点的电位增加，即D点电位高

17、于点电位高于C点电位，此时直流电压表正向偏转点电位，此时直流电压表正向偏转。ZZZ210oUZZZ1ZZZ2U1Z2Z23带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥带相敏整流的测量电桥带相敏整流的测量电桥设输入交流电压设输入交流电压 为为负半周负半周，即，即A点为负，点为负，B点为正，则二极管点为正，则二极管VD2、VD3导通，导通，VD1、VD4截止。在截止。在BCFA支路中，支路中，C点电位由于点电位由于 的减的减小而比平衡时降低。小而比平衡时降低。在在BDEA支路中，支路中，D点电位由于点电位由于 的增加而比的增加而比平衡时的电位增加。所以仍然是平衡时的电位增加。所以仍然是D点电位高于点电位高于C点电位，直流电压表正向点电位，直流电压表正向偏转。只要衔铁上移，不论输入电压是正半周还是负半周，电压表总是偏转。只要衔铁上移，不论输入电压是正半周还是负半