【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 負(fù)載 Rg 的電流為 （16 ）)()()(39。 214343214321 RRIgABg ?????當(dāng) Ig=0 時(shí)，電橋平衡。故電橋平衡條件為R1R3=R2R4 或 341?當(dāng)電橋負(fù)載電阻 Rg 等于電橋輸出電阻時(shí)，即阻抗匹配時(shí)，有 Rg=R’= +21?43這時(shí)電橋輸出功率最大，電橋輸出電流為 （17 ）)()(2214343121RUIg ???輸出電壓為 （18）))((4321RIg當(dāng)橋臂 為電阻應(yīng)變片且有電阻增量 時(shí)，略去分母中的 項(xiàng)，則對(duì)于輸出對(duì)稱(chēng)電橋，R 1= 1R??R2=R,R3= R4=R’(R≠R’)，則有 39。4)(39。4KUIg ?????對(duì)于電源對(duì)稱(chēng)電橋，R 1= R4=R,R2= R3=R’(R≠R’)，則有： 39。)(39。1RIg?對(duì)于等臂電橋，R 1= R2=R3= R4=R，則有 ?KURIg8)(??由以上結(jié)果可以看出，三種形式的電橋，當(dāng) 時(shí)，其輸出電流都與應(yīng)變片的電阻變化率及應(yīng)變?成正比，它們之間呈線性關(guān)系。2. 直流電橋的電壓輸出當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以，可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大， 8 這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開(kāi)路電壓，其表達(dá)式為 （19）URU))((43210???設(shè)電橋?yàn)閱伪酃?作狀態(tài)，即 為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng) 感受應(yīng)變產(chǎn)生電阻增量 1R1時(shí)，由初始平衡條件 得 ，代入式（19） ，則電橋由于 產(chǎn)生不平衡引起的1R?4231?342 1R?輸出電壓為 （110）URURU)(()( 2111210 ?????對(duì)于輸出對(duì)稱(chēng)電橋，此時(shí) ， R180。，當(dāng) 臂的電阻產(chǎn)生變化 ，根據(jù)式43 R??1（110）可得到輸出電壓為 （111）?KR4)(20 ???）（）（對(duì)于電源電橋， ， 180。，當(dāng) R1 臂產(chǎn)生電阻增量 時(shí)，由式（110）得?4132 R??1 （112）UU220 )39。()(39。(?? 對(duì)于等臂電橋 ，當(dāng) 的電阻增量 時(shí)，由式（110）可得輸出電壓431 11為 （113）?KRR)()((20 ???由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng) 時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出，在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂R??電橋以及輸出對(duì)稱(chēng)電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱(chēng)電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)稱(chēng)電橋。在實(shí)際使用中，為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)應(yīng)變片接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱(chēng)的全橋工作形式，如圖 16 所示。 由圖 14 可見(jiàn) =R+ R， =R R， =R+ R， =R R，將上述條件代入式（19 ）得1?23?4 （114）?UKU??)4()](4[0 由式（114）看出，由于充分利用了雙差動(dòng)作用，它的輸出電壓為單臂工作的 4 倍，所以大大提高了測(cè)量的靈敏度。 UR+△R R△RR+△RR△RUoUC 2C 4C 1C 3R 1 R 2R 3R 4Uo 9 圖 16 等臂電橋 圖 17 應(yīng)變片等臂交流電橋 （二）交流電橋交流電橋通常是采用正弦交流電壓供電，在頻率較高的情況下需要考慮分布電容的影響。1． 電橋的平衡條件設(shè)交流電橋的電源電壓為 （115）tUum?sin?式中， 為電源電壓的幅值； 為電源電壓的角頻率， = 為電源電壓的頻率，一般取被測(cè)?,2f?應(yīng)變最高頻率的 5~10 倍。在測(cè)量中，電橋的橋臂由應(yīng)變片或固定無(wú)感精密電阻組成。由于分布電容的影響（分布電感的影響很小，可不予考慮） ，當(dāng)四個(gè)橋臂均為應(yīng)變片時(shí)，電橋如圖 17 所示。此時(shí)交流電橋的輸出電壓為 （116） tUZUZUm?sin))(())(( 432143210 ??????式中： .1,1, 44332211 CjRCjRCjRCjRZ???電橋平衡的條件則為 （117）4231Z?2． 流電橋的輸出電壓由于電橋是交流電壓，因此它的輸出電壓也是交流電壓，電壓的幅值和應(yīng)變的大小成正比?？梢?jiàn)，可以通過(guò)電橋輸出電壓的幅值來(lái)測(cè)量應(yīng)變的大小，但無(wú)法通過(guò)輸出電壓來(lái)判斷應(yīng)變的方向。例如，一個(gè)單臂接入應(yīng)變片的等臂電橋，即 時(shí)，忽ZZZ?????當(dāng),14321略分母中的 的影響，根據(jù)式（116）可以得到Z? （118）tUKUm??sin410?對(duì)于一個(gè)相鄰兩個(gè)橋臂接入差動(dòng)變化的應(yīng)變片的等臂橋，即時(shí)，根據(jù)式（116）得ZZZ?????214321 , （119）tm?sin20??式（119）與式（118）比較靈敏度提高了一倍，即雙臂差動(dòng)比單臂工作效率提高一倍。 10 （三）電橋的線路補(bǔ)償1. 零點(diǎn)補(bǔ)償 電橋的電阻應(yīng)變片雖經(jīng)挑選,但要求四個(gè)應(yīng)變片阻值絕對(duì)相等是不可能的。即使原來(lái)阻值相等，經(jīng)過(guò)貼片后將產(chǎn)生變化，這樣就使電橋不能滿足初使平衡條件，即電橋有一個(gè)零位輸出（ ） 。0?U為了解決這一問(wèn)題，可以在一對(duì)橋臂電阻乘積較小的任一橋臂中串聯(lián)一個(gè)小電阻進(jìn)行補(bǔ)償，如圖 18 所示。 例如當(dāng) 時(shí)，初始不平衡輸出電壓 為負(fù)，這時(shí)可在 橋臂上接入 ，使電橋輸出達(dá)到4231R?0U1R0平衡。圖 18 零點(diǎn)補(bǔ)償電路 圖 19 溫度補(bǔ)償電路2. 溫度補(bǔ)償 環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起電橋的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生漂移的原因有：電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不一致；應(yīng)變片材料與被測(cè)試件材料間的膨脹率不一致；電阻應(yīng)變片的粘貼情況不一致。 溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ话悴扇∮醚a(bǔ)償片法和熱敏元件法。 所謂補(bǔ)償片法，即用一個(gè)應(yīng)變片作工作片，貼在試件上測(cè)應(yīng)變。在另一塊和被測(cè)試件結(jié)構(gòu)材料相同而不受應(yīng)力的補(bǔ)償塊上貼上和工作片規(guī)格完全相同的補(bǔ)償片，使補(bǔ)償塊和被測(cè)試件處于相同的溫度環(huán)境，工作片和補(bǔ)償片分別接入電橋的相鄰兩臂，如圖 19 所示。由于工作片和補(bǔ)償片所受溫度相同，則兩者所產(chǎn)生的熱應(yīng)變相等，因?yàn)槭翘幱陔姌虻南噜弮杀?，所以不影響電橋的輸出。?duì)于溫度所引起的零漂移也可認(rèn)為是由四個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)不一致所引起的，因此可以在某一橋臂中連接一個(gè) 圖 110 零漂移補(bǔ)償電路溫度系數(shù)較大的金屬電阻。如圖 110 所示，在橋臂 中串入一個(gè)銅電阻 。2RTR3． 彈性模量補(bǔ)償彈性元件承受一定載荷且溫度升高時(shí)，彈性模量要減小，因此導(dǎo)致了傳感器輸出靈敏度變大，使電橋輸出增大。補(bǔ)償?shù)姆椒墒闺姌虻妮敵鲭S溫度升高而減小。通常將 分別接入橋路兩個(gè)輸入端，以保證2/ER1R0R2R3R4UU0R E S IS T O R B R ID G ER 4 R 3U 0UR 2R 1FFR E S IS T O R B R ID G ER 1 R 2R 4 R 3UU 0R0RE/2RE/2RT 11 橋路對(duì)稱(chēng)，見(jiàn)圖 110 所示。第二節(jié) 濕敏電阻傳感器濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。氯化鋰濕敏電阻（圖 111）氯化鋰濕敏電阻，即電解質(zhì)濕敏電阻，利用物質(zhì)吸收水分子而導(dǎo)電率變化檢測(cè)濕度。在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li 和 Cl 以正負(fù)離子的形式存在，鋰離子（Li+）對(duì)水分子的吸收力強(qiáng)，離子水合成度高。溶液中的離子導(dǎo)電能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導(dǎo)電率上升。當(dāng)溶液置于一定濕度場(chǎng)中，若環(huán)境 RH 上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆?，電阻?ρ 上升，反之 RH 下降，溶液失去水分子使?jié)舛壬仙娮杪?ρ 下降（如圖 112）。通過(guò)測(cè)量溶液電阻值 R 實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。圖 111 氯化鋰濕敏電阻 圖 112 電阻率 ρ 與 RH 關(guān)系半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 半導(dǎo)體濕敏電阻通常用兩種以上的金屬——氧化物——半導(dǎo)體燒結(jié)成多孔陶瓷，材料有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種。負(fù)特性半導(dǎo)體瓷濕敏電阻（如 ZnOLiV2O5），電阻隨溫度增加而下降。由于水分子中氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水分子在半導(dǎo)體瓷表面吸附時(shí)可能從半導(dǎo)體瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)體表面帶負(fù)電，相當(dāng)于表面電勢(shì)變負(fù)（P 型半導(dǎo)體電勢(shì)下降，N 型半導(dǎo)體出現(xiàn)反型層），電阻率隨濕度增加而下降。 正特性半導(dǎo)體瓷濕敏電阻（如 Fe3O4），材料結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性不同，總的電阻值升高沒(méi)有負(fù)特性阻值下降的明顯。 圖 113 正、負(fù)特性圖a. 負(fù)特性 b. 正特性 12 第三節(jié) 氣敏電阻傳感器在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)；煤氣泄漏：火災(zāi)報(bào)警；燃燒情況的檢測(cè)與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如 SnOZnO 、Fe 2OMgO 、NiO、BaTiO 3 等都具有氣敏效應(yīng)。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛；半導(dǎo)體氣敏元件有 N 型和 P 型之分。N 型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減??； P 型阻值隨氣體濃度的增大而增大。象 SnO2 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，屬于 N 型半導(dǎo)體，在 200℃～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給電子的可燃?xì)怏w（如CO 等）時(shí)，原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，可燃?xì)怏w以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使氧化物半導(dǎo)體電子密度增加，電阻值下降?？扇夹詺怏w不存在了，金屬氧化物半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是半導(dǎo)體氣敏元件檢測(cè)可燃?xì)怏w的基本原理。 13 第二章 電感式傳感器電感式傳感器是利用被測(cè)量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。因此，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類(lèi)。 第一節(jié) 差動(dòng)變壓器一、差動(dòng)變壓器的工作原理差動(dòng)變壓器的工作原理類(lèi)似變壓器的作用原理。這種類(lèi)型的傳感器主要包括銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)唯一改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以把這種傳感器稱(chēng)為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常通稱(chēng)差動(dòng)變壓器。如圖 21 所示。差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響） ，它的等效電路如圖（22）所示。圖中 U 為一次繞組勵(lì)磁電壓； 、M 分別為一次繞組與兩個(gè)二次繞組的互感； 分別為1 12 1\RL一次繞組的電感和有效電阻； 、 分別為兩個(gè)二次繞組的電感；R 、 分別為兩個(gè)二次繞組的有21L21R效電阻。對(duì)于差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感相同，因而由一次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同。與兩個(gè)二次繞組反向串接，所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組 一邊，這時(shí)互感 大， 小，因而二次繞組 內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于二次繞21L1221L組 內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵移動(dòng)越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就2L越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組 一邊移動(dòng)時(shí)，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以2輸出電動(dòng)勢(shì)反相。4321圖 21 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖、1一次繞組 2 3 二次繞組 4銜鐵L21．．E2．圖 22 差動(dòng)變壓器的等效電路～～L22E22E21U1． ～M1M2R21R1R22 14 因此，通過(guò)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖