物理量变化的转换-电阻

物理量变化的转换-电阻.第一页，编辑于星期六：二十二点三十三分。第1页，共44页。前言(1/2)許多感測器是以物理量改變而改變其本身電阻值的原理來製成熱敏電阻：溫度改變，電阻值也隨之改變光敏電阻：光的強弱或波長長短，改變內部電阻值磁阻：依磁場強度而改變其電阻值應變計：壓力或重量的不同造成電阻的變化第二页，编辑于星期六：二十二点三十三分。2台師大機電科技系感測器原理與應用第2页，共44页。前言(2/2)把電阻變化量轉換成電壓大小，以代表物理量F大小

轉換的方式分壓法電阻電橋法定電流法有源電橋法頻率改變法第三页，编辑于星期六：二十二点三十三分。3台師大機電科技系感測器原理與應用第3页，共44页。分壓法(1/8)電路示意圖R(F)：受物理量而改變電阻值的感測元件V(F)：由R(F)轉換而來的電壓值Vref：穩定的定電壓源，使分壓法為定電壓驅動R：分壓及限制電流之分壓電阻分壓第四页，编辑于星期六：二十二点三十三分。4台師大機電科技系感測器原理與應用第4页，共44页。分壓法(2/8)假定原來物理量F和電阻值R(F)呈線性關係，則我們希望轉換後的V(F)

和物理量F也呈線性關係第五页，编辑于星期六：二十二点三十三分。5台師大機電科技系感測器原理與應用第5页，共44页。分壓法(3/8)理想線性關係

m,k：斜率但分壓法將造成非線性誤差

為二次方程式第六页，编辑于星期六：二十二点三十三分。6台師大機電科技系感測器原理與應用第6页，共44页。分壓法(4/8)感溫電阻為例係數α=20Ω/°C，R(0)=200Ω關係式R(T)=R(0)+αT=200Ω+20Ω/°C×T(°C)電阻變化R(T)與溫度T為線性關係第七页，编辑于星期六：二十二点三十三分。7台師大機電科技系感測器原理與應用第7页，共44页。分壓法(5/8)逐點計算假設Vref=10.000VR分別選用1KΩ和10KΩ製表第八页，编辑于星期六：二十二点三十三分。8台師大機電科技系感測器原理與應用第8页，共44页。分壓法(6/8)R的大小影響線性和靈敏度ΔVA(T)代表VA(T+5)－

VA(T)=ΔVA(T)第九页，编辑于星期六：二十二点三十三分。9台師大機電科技系感測器原理與應用第9页，共44页。分壓法(7/8)分壓法做為電阻對電壓的轉換方法，都會有非線性的情況發生上表數據繪圖如下第十页，编辑于星期六：二十二点三十三分。10台師大機電科技系感測器原理與應用第10页，共44页。分壓法(8/8)分壓法是將電阻轉換成電壓最簡便的方法分壓法一定會引起非線性誤差R愈小，靈敏度愈大，線性誤差愈大R愈大，靈敏度較小，線性誤差變小第十一页，编辑于星期六：二十二点三十三分。11台師大機電科技系感測器原理與應用第11页，共44页。電阻電橋法(1/8)正式名稱叫惠斯登電阻電橋驅動法定電壓電橋定電流電橋第十二页，编辑于星期六：二十二点三十三分。12台師大機電科技系感測器原理與應用第12页，共44页。電阻電橋法(2/8)平衡時，對角線電阻的乘積相等，即R1×R3=R2

×R(T)使得VP=VQ，相當於V(T)=VP–VQ=0V第十三页，编辑于星期六：二十二点三十三分。13台師大機電科技系感測器原理與應用第13页，共44页。電阻電橋法(3/8)若R1=R2=R，R3

=R(0)而R(T)=R(0)+αT，則造成非線性誤差第十四页，编辑于星期六：二十二点三十三分。14台師大機電科技系感測器原理與應用第14页，共44页。電阻電橋法(4/8)若R+R(0)»αT時V(T)和T呈線性關係即當α很小時，物理量所造成電阻的變化量非常小 (例：應變計，受壓力其電阻變化以mΩ計)若再選用R»R(0)時V(T)完全成正比於溫度T是很好的線性關係第十五页，编辑于星期六：二十二点三十三分。15台師大機電科技系感測器原理與應用第15页，共44页。電阻電橋法(5/8)若原來R(T)本身的線性不理想時，就必須先做非線性修正R阻值愈大，其非線性誤差愈小；但R若太大，將使R(T)的電流非常小，則易受雜訊干擾第十六页，编辑于星期六：二十二点三十三分。16台師大機電科技系感測器原理與應用第16页，共44页。電阻電橋法(6/8)R3可選用等於待測溫度下限時的R(T)，則在T°C時，使得V(T°C)=0V=>電錶不偏轉時的溫度表待測溫度下限(此乃歸零調整)第十七页，编辑于星期六：二十二点三十三分。17台師大機電科技系感測器原理與應用第17页，共44页。電阻電橋法(7/8)電阻電橋的輸出電壓V(T)幾乎都被送到差值放大器去處理，能達到放大作用又同時抵消共模雜訊干擾缺點：輸入阻抗太小，改變放大率必須調整兩個電阻第十八页，编辑于星期六：二十二点三十三分。18台師大機電科技系感測器原理與應用第18页，共44页。電阻電橋法(8/8)儀器放大器是電阻電橋最佳拍檔具有極高的輸入阻抗同時擁有差值放大器抵消共模雜訊干擾的優點放大率固定Ra、

Rb、

Rc，只調整VR2控制增益第十九页，编辑于星期六：二十二点三十三分。19台師大機電科技系感測器原理與應用第19页，共44页。定電流法-負載接地型(1/3)定電流法：一穩定的定電流Iref，流過電阻變化感測器R(T)產生壓降V(T)V(T)=Iref×

R(T)=Iref×(R(0)+αT)電路中R(T)一端接地，所以稱之接地型定電流法轉換&參考電路第二十页，编辑于星期六：二十二点三十三分。20台師大機電科技系感測器原理與應用第20页，共44页。流經R(T)的電流Iref=>其中V23：參考電壓IC的輸出R1：精密電阻，用以設定I1大小，達到定電流Iref的目的Iq：參考電壓IC靜態工作電流，通常很小定電流法-負載接地型(2/3)第二十一页，编辑于星期六：二十二点三十三分。21台師大機電科技系感測器原理與應用第21页，共44页。若I1»Iq時，則Iq是溫度函數，故想得到一個負載接地型且極穩定的定電流源並不容易所以採用此法必定要找Iq較小的參考電壓IC定電流法-負載接地型(3/3)第二十二页，编辑于星期六：二十二点三十三分。22台師大機電科技系感測器原理與應用第22页，共44页。因R(T)並沒有真正接地，所以稱之負載浮接型驅動法－Vref驅動&Vref驅動定電流法-負載浮接型(1/4)第二十三页，编辑于星期六：二十二点三十三分。23台師大機電科技系感測器原理與應用第23页，共44页。定電流法-負載浮接型(2/4)若I1»I(-)時，且OPAmp輸入阻抗夠大，當Vref

是穩定電壓源，R1是溫度係數很小的固定電阻，則I1就是極穩定的定電流第二十四页，编辑于星期六：二十二点三十三分。24台師大機電科技系感測器原理與應用第24页，共44页。定電流法-負載浮接型(3/4)電流Iref流過R(T)，於OPAmp輸出V(T)虛接地V－=V+=0VT和V(T)呈線性關係能由R1直接控制Iref的大小第二十五页，编辑于星期六：二十二点三十三分。25台師大機電科技系感測器原理與應用第25页，共44页。定電流法-負載浮接型(4/4)無法使待測物理量下限時得到V(T)=0V=>電路本身無法做歸零調整因V+直接接地，因地線所感應的雜訊造成偵測上的誤差可用有源電橋加以改善

第二十六页，编辑于星期六：二十二点三十三分。26台師大機電科技系感測器原理與應用第26页，共44页。有源電橋法(1/5)與負載浮接型最大差別在於OPAmp〝+〞端驅動法－Vref驅動&Vref驅動產生電壓克服雜訊干擾歸零調整滿刻度調整差值放大器：抵消共模雜訊干擾第二十七页，编辑于星期六：二十二点三十三分。27台師大機電科技系感測器原理與應用第27页，共44页。有源電橋法(2/5)歸零調整(1/2)希望V(TL)=OV，TL為待測溫度下限選用R2=KR1，R3=KR(TL)可達此目的虛接地第二十八页，编辑于星期六：二十二点三十三分。28台師大機電科技系感測器原理與應用第28页，共44页。有源電橋法(3/5)歸零調整(2/2)在R2=KR1情況下若R3=KR(TL)

，則V(TL)=OV

=>歸零調整第二十九页，编辑于星期六：二十二点三十三分。29台師大機電科技系感測器原理與應用第29页，共44页。有源電橋法(4/5)滿刻度調整(1/2)若溫度於TL+T時，R(TL+T)=R(TL)+αT輸出電壓當R2=KR1，R3=KR(TL)，則第三十页，编辑于星期六：二十二点三十三分。30台師大機電科技系感測器原理與應用第30页，共44页。有源電橋法(5/5)滿刻度調整(2/2)R1、R(TL)、Vref、α都是固定值，則當溫度高於TL，每增加1°C，V(T)就增加β伏特從β表示式可知改變R1大小，將得到不同β值可經由R1控制待測溫度上限 =>滿刻度調整第三十一页，编辑于星期六：二十二点三十三分。31台師大機電科技系感測器原理與應用第31页，共44页。非線性補償(1/4)各感測元件皆有其非線性的部分電阻變化量也不一定隨物理量增加而增加R(T)=R(0)+αT正值變化：溫度係數α>0

負值變化：溫度係數α<0第三十二页，编辑于星期六：二十二点三十三分。32台師大機電科技系感測器原理與應用第32页，共44页。非線性補償(2/4)非線性補償的方法，是將R(T)與R並聯得到一新的R’(T)值第三十三页，编辑于星期六：二十二点三十三分。33台師大機電科技系感測器原理與應用第33页，共44页。非線性補償(3/4)實際熱敏電阻原始資料&修正(並聯)後資料第三十四页，编辑于星期六：二十二点三十三分。34台師大機電科技系感測器原理與應用第34页，共44页。非線性補償(4/4)R(T)曲線圖R’(T)具有較線性的特性第三十五页，编辑于星期六：二十二点三十三分。35台師大機電科技系感測器原理與應用第35页，共44页。頻率改變法(1/5)許多利用R和C產生振盪信號的電路中，改變R或C大小會得到不同頻率電阻變化的感測元件也可以利用這樣的方式做為轉換電路以頻率高低代表電阻大小 =>相當於以頻率代表物理量的變化第三十六页，编辑于星期六：二十二点三十三分。36台師大機電科技系感測器原理與應用第36页，共44页。頻率改變法(2/5)頻率改變法方塊圖R(F)：受物理量而改變電阻值的感測元件f(F)：物理量改變，使得R(F)改變導致振盪頻率隨物理量大小而改 變=>振盪頻率f(F)代表物理量Vo(F)：把f(F)經頻率對電壓轉換器變成輸出電壓第三十七页，编辑于星期六：二十二点三十