基于傳感器的測量電路探析

殷永生，溫 林，李潔晶

（江西應(yīng)用工程職業(yè)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng)，337042）

基于傳感器的測量電路探析

殷永生，溫 林，李潔晶

（江西應(yīng)用工程職業(yè)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng)，337042）

在傳感器的實(shí)踐應(yīng)用中，傳感器測量的對象大多變化十分微小，這樣微小的變化還不能直接為目前的顯示儀表所顯示，也很難為記錄儀所接收。解決這個(gè)問題的唯一途徑就是通過測量電路去檢測，并將該微小的變化量轉(zhuǎn)換成容易測量的電壓、電流或者頻率等電量。而在學(xué)校中，測量電路這部分知識的教學(xué)效果一直不是很好。下面將對幾種常用的測量電路進(jìn)行分析和探索，給出提高“測量電路”這部分知識教學(xué)效果的教學(xué)方法，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，達(dá)到良好的教學(xué)效果。同時(shí)還可以解決相關(guān)實(shí)訓(xùn)設(shè)備工程性缺失的問題。

傳感器；測量電路；教學(xué)效果；教學(xué)方法；工程性

1 基于傳感器的測量電路原理分析

傳感器技術(shù)是我們探知自然界信息的重要工具，主要內(nèi)容是信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理，為我們認(rèn)識和控制生產(chǎn)和生活中的某些重要對象提供了條件和依據(jù)，為促進(jìn)科技和生產(chǎn)力的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。[1]檢測系統(tǒng)獲得的信息正確與否，主要是取決于傳感器，所以傳感器在檢測系統(tǒng)中扮演了重要角色。傳感器的種類非常多，涉及的知識面很廣。按工作原理可分為應(yīng)變式、壓電式、磁電式、霍爾式、光電式等傳感器。每一種傳感器的測量電路都是不一樣的，工作原理都有所不同，都有自己的特點(diǎn)。下面先對常用傳感器測量電路的原理進(jìn)行分析，為我們后面對測量電路進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、制作、完成測量任務(wù)做好準(zhǔn)備。

1.1 應(yīng)變式傳感器測量電路

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)變片一般只有很小的應(yīng)變，所引起的電阻變化也很微小。如果想把這個(gè)應(yīng)變測量出來，并把ΔR/R轉(zhuǎn)換為電量的變化，必須用專用的測量電路。直流和交流電橋就可以做到。[2]

1.1.1 直流電橋

（1）直流電橋基本工作原理

圖1 直流電橋

如果想讓電橋處于平衡狀態(tài)，即Uo=0，則必須使R1R4=R2R3。設(shè)應(yīng)變片電阻及電阻變化量為R1和 ΔR1，R2/R1=n，由于 ΔR1＜＜R1，則近似可得：

（2）非線性誤差及其補(bǔ)償方法

差動電橋可以減小非線性誤差。如果安裝兩個(gè)應(yīng)變片，就是半橋差動電路；如果安裝四個(gè)應(yīng)變片，就變成了全橋差動電路。

半橋電路的輸出電壓為：

圖2 差動電橋

若R1=R2，R3=R4，則得半橋輸出電壓為：

此時(shí)差動電路是沒有非線性誤差的，而且還可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，電壓靈敏度也變成了E/2，提高一倍。

對于全橋差動電路，若R1=R2=R3=R4，則輸出電壓為：

可見，全橋差動電路也克服了非線性誤差，也可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，電壓靈敏度變成了E，比半橋差動電路又提高了一倍。

1.1.2 交流電橋

實(shí)際中交流電橋的應(yīng)用更為廣泛，他可以克服直流電橋需加放大器的問題。

圖3 交流電橋

由交流電路分析可得

要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則Z1Z4=Z2Z3。

當(dāng)被測應(yīng)力變化引起Z1=Z10+ΔZ，Z2=Z20-ΔZ變化時(shí)（且Z10=Z20=Z0），則電橋輸出為

1.2 電感式傳感器測量電路

1.2.1 差動變壓器式傳感器

這種傳感器的測量電路多采用差動整流電路。該電路可以適于遠(yuǎn)距離傳輸，應(yīng)用廣泛。

被測量的大小和方向原理可以根據(jù)差動輸出電壓的大小和方向來判斷。

圖4 差動整流電路

1.2.2調(diào)頻與調(diào)幅式電渦流傳感器測量電路

（1）調(diào)頻式電路

圖5 調(diào)頻式測量電路

傳感器與LC振蕩回路連接，距離x的改變將導(dǎo)致傳感器電感的改變，進(jìn)而導(dǎo)致振蕩頻率的改變，即f=L(x)，該頻率可課通過頻率計(jì)測量或數(shù)字電壓表測量（通過f-U變換）。

振蕩頻率為：

（2）調(diào)幅式電路

圖6 調(diào)幅式測量電路示意圖

上圖中的石英晶體振蕩器給諧振回路提供一個(gè)穩(wěn)定的激勵(lì)電流i0，激勵(lì)電流的頻率f0，則LC的輸出電壓可寫為：U0=i0f(Z)。式中：Z——LC回路的阻抗。

被測金屬導(dǎo)體靠近或遠(yuǎn)離傳感器線圈時(shí)，即距離x發(fā)生變化時(shí)，等效電感L也將隨之發(fā)生變化。

1.3 電容式傳感器測量電路

1.3.1 運(yùn)算放大器式電路

由運(yùn)算放大器工作原理可得

如果傳感器是一只平板電容，可得

上式表明：運(yùn)放輸出U0與平板電容兩個(gè)極板的距離d成正比例關(guān)系。

圖7 運(yùn)算放大器式電路原理圖

1.3.2 二極管雙T形交流電橋

圖8 電橋原理與電路圖

當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，C1=C2。其電路工作原理如下：

正半周，由于VD1和VD2分別處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，于是電容C1充電，電源U經(jīng)電阻R1以電流I1向負(fù)載RL供電，相反，此時(shí)C2放電，電流為I2，負(fù)載電流 I=I1+I2，它們的極性如圖 8（b）所示；

負(fù)半周，由于VD1和VD2分別處于截止和導(dǎo)通狀態(tài)，于是電容C2充電，電源U經(jīng)電阻R2以電流I2＇向負(fù)載RL供電，此時(shí)C1放電，電流為I1＇，負(fù)載電流 I＇=I1＇+I2＇，它們的極性如圖 8（c）所示。根據(jù)上面所給的條件，C1=C2時(shí)，電源正半周和負(fù)半周流過負(fù)載的電流方向相反，平均值大小相等，一個(gè)周期來看，RL的平均電流為零。[3]

如果輸入不為0，一個(gè)周期內(nèi)RL的平均電流不為零，則會有輸出電壓，輸出電壓平均值為

1.4 壓電式傳感器測量電路

壓電式傳感器的測量電路必須要有高阻抗的前級輸入端，為防止電荷泄露太快，同時(shí)也為了使測量誤差減小，可以接入電壓前置放大器或電荷前置放大器（高輸入阻抗）。[4]

1.4.1 電壓放大器

圖9 電壓放大器的等效電路

當(dāng)元件受到力F=Fmsint的作用時(shí)，放大器輸入端將產(chǎn)生電壓：

放大器輸入電壓的最大值只與d和c相關(guān)，被測頻率無關(guān)。

由上式還可以得出：若靜態(tài)力作用于壓電元件，電荷會通過放大器和傳感器迅速漏掉，輸入電壓為零，所以壓電傳感器無法測量靜態(tài)力。若交變力作用于壓電元件，電荷就可以一直得到補(bǔ)充，為測量回路提供電流，所以壓電傳感器適合測量動態(tài)力。[5]

1.4.2 電荷放大器

圖10 電荷放大器等效電路

上式表明，對于電荷放大器：

（1）輸出電壓與反饋電容端電壓相接近。電荷Q只對反饋電容充電。

（2）輸出電壓與電荷Q成正比，與電纜的電容沒有任何關(guān)系，電荷放大器的最大優(yōu)勢就在于此。

2 “測量電路”有效教學(xué)方法探索

在眾多學(xué)校的教學(xué)中，“測量電路”這部分知識的教學(xué)效果一直都不是很好。究其原因，主要有以下兩點(diǎn)：一、有些學(xué)校對這部分知識進(jìn)行純理論教學(xué)，枯燥且難懂，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性很低，對這部分知識的掌握很不理想。即便掌握了，也不能很好的應(yīng)用于實(shí)踐。二、大多數(shù)學(xué)校的相關(guān)實(shí)訓(xùn)設(shè)備都只能對測量電路進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)完這部分知識，很多學(xué)生都是知其然而不知其所以然，在將來的實(shí)際生產(chǎn)中，也很難做到靈活應(yīng)用。

通過以上分析，我們可以把對測量電路基本理論和實(shí)踐的學(xué)習(xí)，有機(jī)的融為一體，采用教學(xué)做一體化的教學(xué)方法。在做中學(xué)，在學(xué)中做，切實(shí)提高這部分知識的教學(xué)效果。具體來說，我們可以模擬類似的科技公司，把學(xué)生分成若干技術(shù)小組，給每個(gè)技術(shù)小組一個(gè)特定的項(xiàng)目去做，讓他們在完成項(xiàng)目的過程中，能夠掌握從頭到尾完成項(xiàng)目的所有能力。比如，可以給每個(gè)技術(shù)小組類似這樣的任務(wù)：請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)測量電路，并獨(dú)立制作出來，用制作出來的電路去測量某一個(gè)微變量。這樣，當(dāng)學(xué)生組成的技術(shù)團(tuán)隊(duì)完成接到的項(xiàng)目任務(wù)時(shí)，就要通過各種方法和途徑，掌握相關(guān)測量電路工作原理，然后進(jìn)行測量電路設(shè)計(jì)和制作，最后測量出所要測量的微變量。這樣的教學(xué)實(shí)踐性很強(qiáng)，不枯燥，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，理論和實(shí)踐融為一體，學(xué)生學(xué)起來會覺得更容易，更好接受，能很好地提高教學(xué)效果。

3 結(jié)語

在教學(xué)實(shí)踐中，我們采用這種教學(xué)方法收到了良好的教學(xué)效果，得到了學(xué)生和老師的一致肯定。而且這種教學(xué)方法可以很好的克服目前實(shí)訓(xùn)設(shè)備工程性缺失的局限，實(shí)踐教學(xué)投入也較低，是一種值得借鑒的教學(xué)方法。

[1]陳艷紅.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013（08）:2-3.

[2]黃曉因.電阻式傳感器測量電路自校正技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].自動化儀表，2005（1）:20-21.

[3]梁鑫.壓電加速度傳感器測量電路的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2015（2）:354-356.

[4]王前洪.淺談電容式傳感器原理及測量電路[J].科技與企業(yè)，2014（21）:192.

[5]王興舉.壓電傳感器測量電路的性能分析[J].傳感器世界，2007（5）:22-24.

Exploration of Measuring Circuit Based on Sensor

YINGYong-sheng;WENGLin;LI Jie-jin
（Jiangxi Applied EngineeringVocational College,Pingxiang337042,Jiangxi）

In the practice of sensor,the objects which sensor measures vary a little,which cannot be revealed by the present displayinstrument,and are hard tobe

byrecorder.The onlysolution tothis problemis usingmeasuringcircuit to measure,and turning this little variation into voltage,electricity,frequency,and other electric quantity,which are easily measured.This paper will explore and analyze some kinds ofcommon measuringcircuit.

sensor;little variation;electric quantity;measuringcircuit

TM13

A

1671-5004（2017）04-0016-04

2017-02-22

中國高等教育學(xué)會“十三五”高等教育科學(xué)研究規(guī)劃課題“高職院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備工程性缺失的案例分析與對策研究”（項(xiàng)目編號：16YB063）

殷永生（1980-），男，河北唐山人，江西應(yīng)用工程職業(yè)學(xué)院副教授、中南大學(xué)工程碩士，研究方向：電氣控制。