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1、3 检测仪表 3.检测仪表 第一节检测仪表的构成和设计方法 1 3 检测仪表 基本要求 掌握检测仪表的组成 掌握信号变换的基本形式 信号变换的方法及相应的转换元件 位移电信号 电阻电压 电容电压 电压电流 * 2 3 检测仪表 3.1.1检测仪表的组成和检测系统的结构形式 1.检测仪表(系统)的组成 检测仪表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 出易于被常规仪表或装置接受的信号。 * 敏感 元件 变换处理传输 显示 数据存储计算机控制系统 3 3 检测仪表 2.结构形式 一体化型仪表: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。 如
2、，体温计 组合型仪表：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 组合使用，构成检测系统。 如，热电偶检测系统 * 4 3 检测仪表 3.1.2检测仪表的设计方法 信号变换按结构形式来分主要有四类： 简单直接式变换 差动式变换 参比式变换 平衡（反馈）式变换 。 * 5 3 检测仪表 1.简单直接式变换 （1）结构形式 对敏感元件的要求：将被测量转换成电量 如，热电偶、光电池。 如，热敏电阻、气敏电阻* 6 3 检测仪表 如，粘贴式应变压力传感器。 R1 R2 F 转换电路 * 7 3 检测仪表 在参数检测中，常用到的中间物理量 主要有位移、光量和热量等 相应的转换元件有应
3、变片、电感、电 容、霍尔元件、光电器件和热敏元件等 中间物理量 被 测 量转 换 元 件 位 移压力、温度、流速、力 、加速度、扭矩等 应变片、电感、 电容、霍尔元件 光 量气体成分、位移、浓度 等 光电器件 热 量温度、流速等热电偶、热敏电阻 * 8 3 检测仪表 （2）转换电路的信息能量传递 检测元件根据是否需要外加能源分为两类：有 源的和无源的 * 9 3 检测仪表 有源检测元件与转换电路 Ri RL E 何时取最大值 检测电路转换电路 有效功率 信息能量传递效率较低 *10 3 检测仪表 有源检测元件与转换电路 Ri RL E 检测电路转换电路 有效电压 当负载电阻无穷大时，电压灵敏度
4、最高 *11 3 检测仪表 无源检测元件与转换电路 ZPZL EP 被测参数电阻、电容、电感阻抗电压、电流 *12 3 检测仪表 无源检测元件与转换电路 RPRL EP 有功功率增量 比有源检测元件的信息能量传递效率还低 何时取最大值 提高负载上有功功率的措施：电阻匹配、提高电阻 相对变化量、提高短路功率。 *13 3 检测仪表 电桥转换电路及等效电路 RTH RL ETH A C A C E B D *14 3 检测仪表 电桥转换电路及等效电路 RTH RL ETH A C A C E B D 何时转换电路RL上获得的有功功率最大？ RL的电压灵敏度何时最大？ *15 3 检测仪表 （3）简
5、单直接式变换式仪表的特点 准确度低 线性度差 能量传递效率低 结构简短，工作可靠 *16 3 检测仪表 2.差动式变换 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 质相同但沿反方向变化的物理量（常见的 是电路参数量）。 差动式结构提高了检测仪表（系统）的 灵敏度和线性度，减小或消除了环境等因 素的影响。 差动变换形式 *17 3 检测仪表 差动式变压器 差动式电容器 图1图2 *18 3 检测仪表 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 特点 不能克服敏感元件受环境的影响 灵敏度较高 线性度较高 *19 3 检测仪表 3.参比式变换 参比式变换
6、也称补偿式变换。 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 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 ，又感受环境条件量，另一个只感受环境条件 量。 举例 结构形式 *20 3 检测仪表 R4R3 USC 测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件 的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试 件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。 在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。 补偿应变片粘贴示意图 R1 R2 工作原理：桥路相临两臂 增加相同电阻，对电桥 输出无影响。 *21 3 检测仪表 R4R3 USC 如图，电
7、桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中 A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。 由上式可知，当R3、R4为 常数时，Rl和R2对输出电 压的作用方向相反。 *22 3 检测仪表 当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场， 调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即 上式中：可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，由上式可知电 桥的输出电压为零，即 = 可见,输出电压USC与温度无关。 *23 3 检测仪表 当工作应变片感受应变时，只会引起电阻R1发生变 化，R2不承受应变。电桥将产生相应输出电压： 由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与 温度无关。 *24
8、 3 检测仪表 参比式变换的特性分析 特点 能够克服环境变化引起的误差 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 *25 3 检测仪表 4.平衡（反馈）式变换 （1）结构形式 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。 *26 3 检测仪表 （2）有差随动变换 （3）无差随动变换 *27 3 检测仪表 炉温自动记录仪无差随动变换 *28 3 检测仪表 （4）平衡式变换的特性分析 有差随动式变换 *29 3 检测仪表 无差随动式变换 *30 3 检测仪表 3.1.3检测仪表中常见的信号变换方法 1.位移与电信号的变换 温度测量
9、中 双金属片 t x 压力测量中 弹性元件 p x 物位测量中 浮筒 H（f） x 流量测量中 转子流量计 q x *31 3 检测仪表 典型的位移电信号转换元件 （1）霍尔元件 （2）电容器 （3）差动变压器 *32 3 检测仪表 （2）电容器：电容式压力（差压）传感器 实质：位移传感器， 它利用弹性膜片在压 力下变形所产生的位 移来改变传感器的电 容（此时膜片作为电 容器的一个电极）。 *33 3 检测仪表 *34 3 检测仪表 电容等效电路 *35 3 检测仪表 极板间的电容关系 电 容 等 效 电 路 *36 3 检测仪表 低压侧电容的纵断面分析 电容与压力pH、pL的关系 *37 3
10、 检测仪表 挠度 初始张力初始张力 低压侧电容的纵断面分析 电容与压力pH、pL的关系 *38 3 检测仪表 电容与压力的关系 低压侧电容的纵断面分析 电容与压力pH、pL的关系 正比关系 *39 3 检测仪表 此电容量的变化经 过适当的变换器电路 ，可以转换成反映被 测差压的标准电信号 输出。变送器 这种传感器的结构 坚实，灵敏度高，过 载能力大；精度高， 其精确度可达0.25 0.05；可以测量 压力和差压。 *40 3 检测仪表 该系列产品采用世界上最成熟的电容传 感器制造技术，通过专用的微处理器数 字电路及通讯模块，将被测介质的压力 信号转换成4-20mADC模拟信号。 过程压力通过两
11、侧或一侧隔离膜片， 灌充液作用在敏感元件张紧的测量膜片上, 测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组 成一个电容器,在无压力通入或两侧压力均 等时测量膜片处于中间位置,两个电容器的 电容量相等.当两侧压力不一致时,致使测 量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比 ,这种位移转变为电容极板上形成的差动电 容.由电子线路把差动电容转换成4-20mADC 的电流信号. *41 3 检测仪表 (3)差动变压器-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 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 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
12、也 随之起相应的变化，由于 它的次级线圈接成差动的 形式，故称为差动变压器 。* 42 3 检测仪表 结构1 a b c d c d V V 绕线管 线圈组合 衔铁 + - + - *43 3 检测仪表 (e)、(f) 变面积式差动变压器 (a)、(b) 变间隙式差动变压器 (c)、(d) 螺线管式差动变压器 结构2 *44 3 检测仪表 工作原理 差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈 W1（也称励磁线圈）和一个次级线圈W2（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 Usr，两个次级线圈则按电势反相串联。 *45 3 检测仪表 *46 3 检测仪表 *47 3 检测仪表
13、e=ee=e 1 1 -e-e 2 2 *48 3 检测仪表 l2 S2 S1 匝数为W的 线圈 铁芯 衔铁 Usr （4）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 电感器-自感式传感器 *49 3 检测仪表 工作原理：传传感器测测量物理量时衔铁时衔铁 的运动动部分产产生位移， 导导致线线圈的电电感值发值发 生变变化，根据定义义，线线圈的电电感为为 式中： W:线圈的匝数 I:线圈中的电流 ：磁路磁通 RM磁阻，它包括铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻， 铁铁磁材料各段磁阻之和，铁铁芯一定时时，其值值一定 ； li 各段铁铁芯长长度； mi 各段铁铁芯的磁导导率； Si 各段铁铁芯
14、的截面积积； Rd空气隙的磁阻， Rd = 2d/m0S。 S:气隙磁通截面积积 所谓磁阻，它与电阻的含义相仿，磁阻是表示磁路对 磁通所起的阻碍作用，以符号Rm表示。 *50 3 检测仪表 即可得电感为 因为铁为铁 磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较较小，计计 算时时可忽略不计计，这时这时 有 当线线圈及铁铁芯一定时时，W 为为常数，如果改变变或S 时时 ，L值值就会引起相应应的变变化电电感传传感器的工作原 理。 *51 3 检测仪表 由于改变变和S都是使气隙磁阻变变化，从而使 电电感发发生变变化，所以这这种传传感器也叫变变磁阻式 传传感器。 电电感式传感器分为: 变气隙厚度的传感器 变气隙面积的
15、传感器 使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器 *52 3 检测仪表 可变磁阻式变面积型传感器 *53 3 检测仪表 可变磁阻式变气隙型传感器 *54 3 检测仪表 （4）其他转换元件或方法 光学法 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。 反射法 透射法 *55 3 检测仪表 2.电阻与电压（或电流）的变换 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 典型的串联式转换电路；如下图： 另一种方法是利用电桥进行转换 * RPRL EP 56 3 检测仪表 所以，直流电桥平衡条件：R1R4=R2R3 或 相对两臂电阻的乘积相等
16、, 或相邻两臂电阻的比值 应相等。 电桥以直流电源供电，故 称为直流电桥。 (1)不平衡电桥的电压灵敏度 电压灵敏度:单位电阻相对变化量引起电桥输出电压 的大小。 *57 3 检测仪表 *58 3 检测仪表 等臂电桥、单臂工作 初始状态时，R1=R2=R3=R4=R，称为等臂电桥。 电压灵敏度 近似线性关系 全等臂四分之一电桥 *59 3 检测仪表 提高灵敏度的措施： 电桥电电桥电 源电压电压 越高，输输出电压电压 的灵敏度越高。 但提高电电源电压电压 使应变应变 片和桥桥臂电电阻功耗增加，温 度误误差增大。一般电电源电压电压 取36V为为宜。 *60 3 检测仪表 输出电压非线性误差 上面在讨论电桥讨论
