1、 本科毕业论文 题 目：分体式传感器实验台设计 院 （部） ：信息与电气工程学院 专 业：电气工程及其自动化 班 级：电本 064 姓 名：* 学 号：2006081# 指导教师：罗# 完成日期：201#年 6 月 15 日 摘 要 III FISSION TYPE SENSOR LABORATORY BENCH DESIGN IV ABSTRACT IV 前 言 1.1 分体式传感器的特点及研究意义 . 1 1.2 国际传感器的研究现状 . 1 1.3 国内传感器的研究现状 . 2 1.4 本文的主要研究内容 . 3 各个传感器的工作原理及选择 2.1 霍尔式传感器的工作原理及选择 . 4
2、2.1.1 工作原理 . 4 2.1.2 霍尔传感器的检测方法 . 4 2.1.3 霍尔传感器测量电路 . 5 2.2 光电式 . 9 2.2.1 光电传感器原理 . 9 2.2.2 光电传感器的分类 . 9 2.2.3 光电式传感器转换电路 . 10 2.3 电阻式传感器的工作原理及选择 . 11 2.3.1 电阻式传感器工作原理 . 11 2.2.3 电阻式传感器测量电路 . 12 2.4 电容式传感器的工作原理及选择 . 16 2.4.1 电容式传感器的优点 . 16 2.4.2 电容式传感器的原理及应用 . 17 2.4.3 电容式传感器的测量电路 . 22 2.5 电容式传感器的工作
3、原理及选择 . 25 2.5.1 电容式传感器的工作原理 . 25 2.5.2 电感式传感器的特点及分类 . 25 2.5.3 电容式传感器的测量电路 . 29 2.6 温度式传感器的工作原理及选择 . 30 2.6.1 温度传感器原理及应用 . 30 2.6.2 温度传感器测量电路 . 32 2.7 涡流式传感器的工作原理及选择 . 33 2.7.1 电涡流传感器的基本原理 . 33 2.7.2 涡流式传感器的特点 . 33 2.7.3 涡流式传感器的测量电路 . 34 3 可调直流稳压电源 3.1 直流稳压电源的工作原理 . 35 3.2 本文所选的电源 . 36 3.2.1 电路工作原理
4、 . 36 3.1.2 电源的电路图 . 37 4 显示部分 4.1 LCD 显示电路设计 . 38 4.1.1 显示模块 . 38 4.1.2 T6963C 控制器介绍 39 4.2 LCD 显示电路方式比较 . 41 4.3 液晶显示子程序 . 42 4.4 液晶显示方式 . 43 4.5 LCD 显示框图设计 . 44 6 结论 46 谢 辞 47 参考文献 48 摘 要 随着我国工业生产自动化领域的扩大，自动检测技术快速发展，各工科院校自动 化类专业大都开设了自动检测、传感器技术类型的课程。由于缺乏良好的实验设施， 其教学质量受到影响。为了加强实践环节、培养学生的工程意识,设计适合工科
5、大学实 验教学的传感器实验台有重要意义。 本文主要研究了分体传感器实验台的设计。本课题是在以往有关传感器方面研究 课题的基础上研究传感器在工科大学（特别是建筑类专业）检测实验室中的应用。 首先,本文提出了分体式传感器实验台的概念,并对分体式传感器实验台的特点， 关键技术，发展历史，研究方向和应用前景做了介绍， 同时也对当前市面上传感器实 验台的情况做了分析，提出制作针对工科大学实验的实验台的必要性。 其次,对分体式传感器实验台做了深入的剖析,主要从以下两个方面进行研究一是 分体式传感器实验台中的传感器原理,二是分布体传感器实验台的主要部件的选择。 该传感器实验台可广泛应用于工科大学实验教学中，
6、具有广泛的应用背景和市场 发展空间。 关键词：传感器；转换电路；稳压电源；显示系统 Fission type sensor laboratory bench design ABSTRACT Along with the expansion of the field of industrial automation, automatic detection of the rapid development of technology, the majority of engineering colleges to open a specialty automation automatic det
7、ection, sensor technology, types of courses. Lack of good experimental facilities, the quality of teaching affected. In order to strengthen the practice, awareness of engineering students to design experiments for the teaching of engineering university of significance Sensor Experiment. This article
8、 has mainly studied the fission sensor laboratory bench design. This topic was studied the sensor in formerly in the related sensor aspect research subject foundation (specially was building class specialty) examines in the laboratory in the College of engineering the application. First, this articl
9、e proposed the fission type sensor laboratory benchs concept, and halves the writing style sensor laboratory bench the characteristic, the key technologies, the historical development, the research direction and the application prospect did said that simultaneously the sensor laboratory benchs situa
10、tion has also made the analysis to the current market condition, proposed that manufacture laboratory bench necessity which tested in view of the College of engineering. Next, the half writing style sensor laboratory bench has made the thorough analysis, mainly carries on from the following two aspe
11、cts studies one is in the fission type sensor laboratory bench sensor principle; second, distributed body sensor laboratory bench major components choice. This sensor laboratory bench may widely apply in the College of engineering tests in the teaching, has the widespread application background and
12、market development space. Key Words: Sensor；Switching circuit；Voltage-stabilized source；Display system； experimental research Key Words: sensor; switching circuit; voltage-stabilized source; display system 前前 言言 1.1 分体式传感器的特点及研究意义 在基础学科研究中，传感器具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了 许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 n
13、m 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外， 还出现了对深化物质认识、开拓新能源 、新材料等具有重要作用的各种极端技 术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显 然， 要获取大量人类感官无法直接获取的信息， 没有相适应的传感器是不可能的 1。 作为现代工科大学实验教学的重要组成部分，传感器实验具有重要地位。本次毕 业设计针对大学教学实验要求，以更好的帮助学生理解传感器原理，掌握其使用方法 为目的设计实验台。该设计中大部分是工业结构，便于学生加强对书本知识的理解， 并在实验过程中，通过信号的拾取，转换，分析，培养学生作为一个科技工作
14、者具有 的基本操作技能与动手能力。由于电路板采用模块结构，可以灵活组合，以便于各学 校根据基本原理配置开出极多的实验，因此我的设计方案采用分体式实验台。 1.2 国际传感器的研究现状 传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国 早在80年代就声称世界已进入传感器时代， 日本则把传感器技术列为十大技术之创立。 日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对 开发传感器技术部十分重视。美、日、英、法、德和俄罗斯等国都把传感器技术列为 国家重点开发关键技术之一。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的 22 项技术的关 键技术，其中项为无源传感器。
15、美国空军 2000 年举出 15 项有助于提高 21 世纪空军 能力关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为 国家重点发展大核心技术之一。日本科学技术厅制定的上世纪 90 年代重点科研项目 中有 70 个重点课题，其中有 18 项是与传感器技术密切相关。美国早在上世纪 80 年代 1 何希才，薛永毅： 传感器及其应用实例,机械工业出版社,第8页。 初就成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的 传感器技术开发工作。 传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是 当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算
16、机技术构成信息产业的三大 支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集 成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没有跟上 信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。传感器开始受到普遍重视，从八十 年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”。美国国防部将传感器技术视为 今年 20 项关键技术之一，日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列 为大核心枝术，德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投 资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。正是由于世界各国普 遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速， 1
17、.3 国内传感器的研究现状 在我国近 20 年来，传感器虽然有了较快的发展，有不少传感器走上市场，但大多 数只能用于测量常用的参数、常用的量程、中等的精度，远远满足不了我国四个现代 化建设的要求。而与国际水平相比，我国的传感器不论在品种、数量、质量等方面， 都有较大的差距。为此，努力开发各种新型传感器，以满足我国四化建设的需要，是 摆在我国科技工作者面前的紧迫任务。 通过攻关，在技术上有所创新，取得一批具有自主知识产权的科技成果，主要 是： (1)复旦大学发明的掩膜-无掩膜腐蚀工艺为国际首创。不仅在实验上取得凸角处 出现311面的基本规律，理论上也推导出新的底面条件和新生底面深度和位置的公 式
18、，开创了用腐蚀技术制造微结构的新工艺。利用 KOH 腐蚀液对于不同晶面腐蚀速率 的差异，在理论和工艺上解决了采用一次掩膜技术形成三维多层微机械结构的工艺， 多层结构层差控制精度在 4m 以内，转移平面的平整度优于 1tm，受理一项发明 专利。 (2)清华大学研制成功一种基于石英谐振器应变敏感效应的数字式力与称重传感 器。研究了敏感元件的力敏特性、谐振器的能陷效应与谐振频率、谐波次数和结构的 关系，保证了良好的频率稳定性。研制了专用胶粘剂，解决了影响传感器蠕变和滞后 性能的关键工艺，提高了传感器性能指标及合格率。在国内外首创开发了系列化的下 游应用产品各类石英电子衡器。取得 6 项实用新型专利、
19、一项发明专利，受理 4 项发明专利。 (3)哈尔滨理工大学研制成功了“新型本征半导电高分子压力温度双参数传感器“， 首次合成聚省醌自由基高聚物，这是一种压敏系数和温度系数极高的高分子材料，过 材料表面处理等技术制成传感器，解决了油井高温潜油泵的温度和压力测量的难题。 经过检索表明，新型本征高分子压力温度双参数传感器为国际首创，已经受理一项发 明专利。 (4)沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片温度灵敏度自 补偿工艺。通过调整平面工艺的掺杂工艺参数，实现了在-30-80C 的全温区内，力敏芯 片的灵敏度温度漂移控制在 5o 之内，实现了扩散硅力敏芯片的灵敏度温度自补偿。 (5)
20、九纯健科技在国内首次通过离心表面涂膜及特殊老化工艺，采用多片湿敏 元件组合方式，以及温度自动补偿方式，成功解决了湿度测量领域的高温湿度无法测 量，全量程敏感元件不线性，温度对湿度测量精度的影响等问题。实现了 120以内环 境湿度的直接测量，200-600 度环境湿度的间接测量。由于采用了温度自动补偿工艺， 在测量环境温度发生大的变化时，对湿度传感器的测量精度不会造成影响。可在 120 度以内保证湿度测量 2%RH 精度。同时采用湿敏元件多片组合线化方案。成功解决了单 片湿敏元件测量湿度时低湿和高湿部分的不线性问题。 1.4 本文的主要研究内容 1) 筛选各种实验室用传感器，用作本试验台传感器的
21、原始传感器。 2) 根据所选原始传感器,计算和设计本试验台用传感器的各参量。适当画出各传感器 的机械结构图等。 3) 设计传感器转换电路,根据各传感器的要求,设计及计算相应的转换电路画出工作 原理图。要求各印刷电路版尺寸和形状一致，以便于实验者使用和实验室管理。 4) 根据所选传感器的电源需要，计算和设计试验台内置直流电源，输入为 AC 220V， 输出为 DC5V，15V，用 Protel99 等软件画出工作原理图。 5) 设计并画出通用传感器支架图。 6) 列出电子及电气元器件采购来源及价格表 Part List。 各个传感器的工作原理及选择各个传感器的工作原理及选择 2.1 霍尔式传感器
22、的工作原理及选择 2.1.1 工作原理 当导电体流过电流，若电流垂直于磁场，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现 电压现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，它由霍尔片、四根引 线和壳体组成， 是一种基于霍尔效应的磁传感器， 得到广泛的应用,可以检测磁场及其变 化，可在各种与磁场有关的场合中使用 2。 霍尔集成电路具有体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低 等优点，广泛应用于复印机电机转速检测、智能电动车测速和录放像机磁带控制、数控 车床及电子开关等电路中。 利用集成电路工艺将霍尔元件与测量电路集成在一起制成的器件，称为集成霍尔传 感器。集成霍尔传感器可分为线性
23、型和开关型两大类。 开关型霍尔传感器将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC 门等电路做 在同一个芯片上，如图1所示。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为 导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新回到高阻态，输 出高电平。这类器件中较典型的有KMI15-1、UGN3020等，广泛应用于数控车床及电子开 关等电路中。 线性型霍尔传感器将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯上。其输出特性 是线性变化的。由于其输出电压较高、使用非常方便，因而得到广泛的应用。较典型的 线性霍尔器件如UGN3501等。 2.1.22.1.2霍尔传感器的检测方法霍尔传感
24、器的检测方法 2 郭爱芳 :传感器原理及应用, 西安电子科技大学出版社,第 126 页。 1) 开关型霍尔传感器的检测 开关型霍尔传感器的测试方法如下：首先，找一只2k欧姆的电阻RL接于 、 脚 之间，并将12V直流电源的正极接于开关型霍尔传感器的 脚、负极接于开关型霍尔传 感器的脚(如图1.1所示)。将万用表置于直流50V挡，红表笔接 脚、黑表笔接 脚， 观察万用表的指针变化 。 当用磁铁N极接近传感器的测试点时， 万用表的指针由高电平 端向低电平端偏转； 当磁铁N极远离传感器的测试点时，万用表指针由低电平端向高电 平端偏转。如果磁铁N 极接近或远离传感器的测试点时万用表的指针均不偏转，则说
25、明 该开关型霍尔传感器已损坏，应及时更换。 2) 线性型霍尔传感器的检测 线性型霍尔传感器测试方法如下：首先，将图1a中电阻RL换接于 、 脚之间， 并将12V直流电源的正极接于线性型霍尔传感器的脚、 负极接于线性型霍尔传感器的 脚。将万用表置于直流50V挡，万用表的红表捧接脚、黑表棒接脚。观察万用表的指 针变化，当用磁铁N 极逐渐接近传感器的测试点时，万用表所测电压应成线性变化，否 则，说明该线性型霍尔传感器已损坏，应及时更换。 图 1.1 开关型霍尔传感器原理图 图 1.2 开关型霍尔传感器输出特性图 2.1.3 霍尔传感器测量电路 电路图如图 1.3 所示 图 1.3 霍尔传感器测量电路
26、 电路所选元件简介 1）KMI15 图 1.4 KMI15-1 芯片外观 a) KMI15-1 型传感器的性能特点3 KMI15-1 芯片内含高性能磁钢、 磁敏电阻传感器和 IC。 它利用 IC 来完成信号变换功 能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为 7mA14mA。由 于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。 KMI15-1 器件的测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是 025mHz，而且 即使在转动频率接近于零时， 它也能够进行测量。 传感器与齿轮的最大磁感应距离为 2.9 （典型值） ，由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。 此外该传感器抗干扰
27、能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片 内部还有电磁干扰（EM1）滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受 外界因素的影响。 KMI15-1 的体积较小，能可靠固定在齿轮附近。KMI15-1 采用12电源供电（典 型值） ，最高不超过 16V，工作温度范围宽达4085。 b) 工作原理 KMI15-1 型集成转速传感器的外形如图 1.4 所示，它的两个引脚分别为 UCC（接 3 王力:中国电子器件手册,成都科技大学出版社 2004 年版，第 147 页。 +- 12V 电源端）和 U（方波电流信号输出端） 。为使 IC 处于较低的环境温度中，设计时 专门将 IC
28、与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。 2） LM393 图 1.5 LM393 外观 LM393 是双电压比较器集成电路。该电路的特点如下：工作电源电压范围宽，单电 源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源:118V；消耗电流小，Icc=0.8mA； lm393 是什么输入失调电压小，VIO=2mV；ab126 计算公式大全共模输入电压范围宽， Vic=0Vcc-1.5V；输出与 TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接 “或”门；采用双列直插 8 引脚塑料封装（DIP8）和微形的双列 8 脚塑料封装（SOP8） 图. LM393 内部结构图 表 2.1
29、主要参数表 参数名称 符号 数值 单位 电源电压 VCC 18 或 36 V 差模输入电压 VID 36 V 共模输入电压 VI -0.3VCC V 功耗 Pd 570 mW 工作环境温度 Topr 0 to +70 1 2 3 4 8 7 6 5 +VCC -VCC 贮存温度 Tstg -65 to 150 表 2.2 电特性 参数名 称 符号 测试条件 最小 典型 最大 单位 输入失 调电压 VIO VCM=0 to VCC-1.5 VO(P)=1.4V, Rs=0 - 1.0 5.0 mV 输入失 调电流 IIO - - 5 50 nA 输入偏 置电流 Ib - - 65 250 nA
30、共模输 入电压 VIC - 0 - VCC-1.5 V 静态电 流 ICCQ RL= - 0.6 1.0 mA RL=,Vcc=30V - 0.8 2.5 mA 电压增 益 AV VCC=15V, RL 15k - 200 - V/mV 灌电流 lsink Vi(-) 1V, Vi(+)=0V, Vo(p)1.5V 6 16 - mA 输出漏 电流 IOLE Vi(-)=0V, Vi(+)=1V, VO=5V - 0.1 - nA 应用说明: LM393 是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄 生电容而产生耦合,则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,
31、输 出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准 PC 板的设计对减小输 入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于 10K 将减小反馈信号,而且增加 甚至很小的正反馈量(滞回 1.010mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容 引起的振荡。除非利用滞后,否则直接插入 IC 并在引脚上加上电阻将引起输入输出 在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则 滞回将不需要。比较器的所有没有用的引脚必须接地。 LM393 偏置网络确立了其静态 电流与电源电压范围 2.030V 无关。通常电源不需要加旁路电容。差分输入电压可以 大于 Vcc 并不损
32、坏器件。保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。 表 2.2 LM393 引脚功能排列表 LM393 的输出部分是集电极开路,发射极接地的 NPN 输出晶体管,可以用多集电 极输出提供或 OR ing 功能。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电 源电压上,不受 Vcc 端电压值的限制。 此输出能作为一个简单的对地 SPS 开路(当不用 负载电阻没被运用),输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的 值所限制。当 达到极限电流(16mA)时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压 被输出晶体管大约 60ohm 的 SAT 限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失调
33、电 压(约 1.0mV)允许输出箝位在零电平。 2.2 光电式 2.2.1 光电传感器原理 引出端序号 功能 符号 引出端序号 功能 符号 1 输出端 1 OUT1 5 正向输入端 2 1N+(2) 2 反向输入端 1 1N-(1) 6 反向输入 2 1N-(2) 3 正向输入端 1 1N+(1) 7 输出端 2 OUT2 4 地 GND 8 电源 VCC 光电传感器通常是指能将被测量的变化转换成光学量的变化，再通过光电元件把 光学量的变化转换成电信号的装置。光电式传感器的工作原理如图 1.7 所示： 图 1.7 光电式传感器的工作原理示意图 2.2.2 光电传感器的分类 按光电元件输出量性质
34、可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感 器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关 系4。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、 遮光式(光束阻档)三大类。 （1）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被 吸收后，透射光投射到光电元件上，因此又称之为吸收式。 （2） 漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投 射到光电元件上。 （3）遮光式是指当光源发出的光通量经被测物遮挡其中一部分，使投射到光电元 件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。 2.2
35、.3 光电式传感器转换电路 光电式传感器转换电路示意图如图.所示： 4 徐科军： 传感器与检测技术 ，电子工业出版社，第 143 页。 辐射源 光学通路光学器件 输出 被测量 被测量 图.光电式传感器转换电路图示意图 电路所选元件简介： LM324 系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。 可工作在单 电源下，电压范围是 3.0V-32V 或+16V。 LM324 的特点：1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V4.低偏 置电流：最大 100nA（LM324A）5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准
36、的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能 图.LM324 引脚图 2.3电阻式传感器的工作原理及选择 2.3.1 电阻式传感器工作原理 图.电阻式传感器工作原理示意图 电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变 化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器和锰铜压阻传感器等。 电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等 测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、 过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一 5。 以典型的固态压阻式压力传感器为例，硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应 变时，其
37、内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化。用 此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原 理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散制成应变电阻，构成惠斯登电桥(Wheatstone bridge)，利用硅材料的弹性力学特性，在同一片硅材料上进行各向异性微加工，就制 成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。 5 杨帮文：最新传感器实用手册，人民邮电出版社 第 98 页。 2.2.3 电阻式传感器测量电路 一般地，被测量是非常微弱的，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用 的电路就是各种电桥电路，主要有直流和交流电桥电路。 一、直流测
38、量电桥分析 如图 1.11 所示为最常用的电阻电桥， 有四个电阻组成桥臂， 一个对角接电源， 另一个作为输出。 1、桥路形式 如图所示，电桥各臂的电阻分别为 R1、R2、R3、R4，U 为电桥的直流电源电 压。当四臂电阻 R1=R2=R3=R4=R 时，称为等臂电桥；当 R1=R2=R,R3=R4=RR 时，称 为输出对称电桥；当 R1=R4=R，R2= R3=RR 时，称为电源对称电桥。 图 1. 电桥电路 图 1. 电流 输出型 2、工作方式 单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；双臂 工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为 半桥
39、形式；全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。 3、输出方式 电桥的输出方式有电流型和电压型两种，主要根据负载情况而定。 1）电流输出型 当电桥的输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载如检流计或光线示 波器进行测量时，电桥将以电流形式输出，如图 1.11 所示，负载电阻为 Rg 由图中可 以得 2 12 CA R UU RR 3 34 CB R UU RR 所以电桥输出端的开路电压 UAB 为 1324 1234 ()() ABCBCA R RR R UUU RRRR (1-4-1) 应用有源端口网络定理，电流输出电桥可以简化成图 1.12 所示的电路。图中 E相当于电桥输出端开
40、路电压 AB U，R为网络的入端电阻 3412 1234 R RR R R RRRR (1-4-2) 由图 1.12 可以知道，流过负载 Rg 的电流为 1324 123412343412 ()()()() AB g gg R RR RU IU RRR RRRRR R RRR R RR (1-4-3) 当 Ig =0 时，电桥平衡，故电桥平衡条件为 1324 R RR R。 当电桥负载电阻 Rg 等于电桥输出电阻时，即阻抗匹配时，有 3412 1234 g R RR R RR RRRR 这时电桥输出功率最大，电桥输出电流为： 1324 12343412 2()() g R RR RU I R
41、R RRR R RR (1-4-4) 输出电压为： 1324 3412 2 ()() ggg R RR RU UI R RRRR (1-4-5) 当桥臂 R1 为与被测量有关的可变电阻，且有电阻增量R 时，略去分母中 的R 项则对于输出对称电桥, 1234 RRRRR 1 () 4 g UR I RRR 对于电源对称电桥， 14 RRR， 23 RRRR 1 () 4 g UR I RRR 对于等臂电桥， 1234 RRRRR () 8 g UR I R 由以上结果可以看出，三种形式的电桥，当RR 时，其输出电流都与应变 片的电阻变化率即应变成正比，它们之间呈线性关系。 ） 电压输出型 当电桥
42、输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的 负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电 压，其表达式为 1324 0 3412 ()() R RR R UU RRRR (1-4-6) 设电桥为单臂工作状态，即 1 R为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当 1 R感受 被测量产生电阻增量 1 R时， 由初始平衡条件 1 R 3 R= 2 R 4 R得 14 23 RR RR ， 代入式 （1-4-6） ， 则电桥由于 1 R产生不平衡引起的输出电压为 (1-4-7) 对于输出对称电桥， 此时 1234 RRRRR当 1 R臂的电阻产生变化 1 R
43、= R，根据（1-4-7）可得到输出电压为 (1-4-8) 对于电源对称电桥， 14 RRR， 23 RRRR当 1 R臂产生电阻增量 1 R= R 时，由式（1-4-7）得 (1-4-9) 对于等臂电桥 1234 RRRRR当 R1 的电阻增量 1 R=R 时，由式 （1-4-7）可得输出电压为 (1-4-10) 由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电 压也随着变化。当RR 时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出在桥臂 电阻产生相同变化的情况下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电 桥的输出电压大，即它们的灵敏度要高。因此在使用中多采用等臂电桥
44、或输出对称电 桥在实际使用中为了进一步提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个被测信号接成两个差 动对称的全桥工作形式，如图 1.13 所示。 由图 1.14 可见 1 R=R+R, 2 R=R-R, 3 R=R+R, 4 R=R-R ，将上述条件代入 式(1-4-6)得 (1-4-11) 由式(1-4-11)看出，由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作时的 4 倍，所以大大提高了测量的灵敏度。 图 1.等臂电桥全桥工作方式 图 1.4 交流电桥 图.惠斯登电桥 2.4 电容式传感器的工作原理及选择 2.4.1 电容式传感器的优点 从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力
45、学量转换成 电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉 伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者 长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下， 这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有 较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的 差动变压器传感器的分辨率仅达到 15 m 数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨 率为 0.01 m，比前者提高了两个数量级，最大量程为 1005 m，因此它在精密小 位移测量中受到青睐。 对于上述这些力学量，
46、尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传 感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点： (1)测量范围大其相对变化率可超过 100%； (2)灵敏度高如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达 10 -7数量级； (3)动态响应快因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测 量； (4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料， 极板间衬物多为无机材料， 如空气、 玻璃、 陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强幅射下长期工作，尤其是解决高温 高压环境下的检测难题。 2.4.2 电容式传感器的原理及应用 电容传感器的工作原理是利用力学量变化使电容器中其中的一个
47、参数发生变化 的方法来实现信号变换的。根据改变电容器的参数不同，电容传感器可有 3 类： ）改变极板遮盖面积的电容传感器 图 1.16是 3 种这类传感器的原理图，(a)中是利用角位移来改变电容器极板遮盖 面积。假定当 2 块极板完全遮盖时的面积为 S0，两极板间的距离为 d，极板间介质的介 电常数为 。当忽略边缘效应时，该电容器的电容量为： o o S C d 如果其中一块板极相对另一极板转过 角，则极板间的相互遮盖面积为： 1000 (1)SSSS 因而电容量也就变化了，其值为： 这样电容器的电容变化量为： 00 CCCC （1） 可见，此电容量的变化值和角位移成正比，以此用来测量角位移。
48、 (b)中是利用线位移来改变电容器极板的遮盖面积的。如果初始状态极板全部遮 盖， 则遮盖面积 S0ab， 当 2 块极板相对位移 x 时， 则极板的遮盖面积变为 S1=b(a-x)。 在介电常数和极板距离不变时，电容量分别为： 0 ab C d 00 ()b axx CCC da 电容的变化量为： 00 CCCC （2） 可见，此电容量的变化值和线位移 x 成正比，用他来测量各类线位移。 (c)所示电容变换器是(b)所示电容器的变种。采用这种锯齿形电极的目的在于提 高传感器的灵敏度。若锯齿数为 n，尺寸如(b)所示不变，当运动齿相对于固定齿移动 一个位移 x 时，则可得： 0 x CnC a （3） 比较式（2）和式（3）可见，灵敏度提高了 n 倍。 图 1.16 改变极板遮盖面积的电容传感器示意图 b）改变介质介电常数的电容传感器 图 1.17 是 2 种改变介质介电常数的电容式传感器的原理图。(a)常用来检测液 位的高度，(b)常用来检测片状材
