基于传感器的测量电路探析

殷永生，温 林，李洁晶

（江西应用工程职业学院，江西 萍乡，337042）

基于传感器的测量电路探析

殷永生，温 林，李洁晶

（江西应用工程职业学院，江西 萍乡，337042）

在传感器的实践应用中，传感器测量的对象大多变化十分微小，这样微小的变化还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接收。解决这个问题的唯一途径就是通过测量电路去检测，并将该微小的变化量转换成容易测量的电压、电流或者频率等电量。而在学校中，测量电路这部分知识的教学效果一直不是很好。下面将对几种常用的测量电路进行分析和探索，给出提高“测量电路”这部分知识教学效果的教学方法，提高学生的实践能力，达到良好的教学效果。同时还可以解决相关实训设备工程性缺失的问题。

传感器；测量电路；教学效果；教学方法；工程性

1 基于传感器的测量电路原理分析

传感器技术是我们探知自然界信息的重要工具，主要内容是信息的获取、转换、显示和处理，为我们认识和控制生产和生活中的某些重要对象提供了条件和依据，为促进科技和生产力的发展做出了重要贡献。[1]检测系统获得的信息正确与否，主要是取决于传感器，所以传感器在检测系统中扮演了重要角色。传感器的种类非常多，涉及的知识面很广。按工作原理可分为应变式、压电式、磁电式、霍尔式、光电式等传感器。每一种传感器的测量电路都是不一样的，工作原理都有所不同，都有自己的特点。下面先对常用传感器测量电路的原理进行分析，为我们后面对测量电路进行独立设计、制作、完成测量任务做好准备。

1.1 应变式传感器测量电路

应变式传感器的应变片一般只有很小的应变，所引起的电阻变化也很微小。如果想把这个应变测量出来，并把ΔR/R转换为电量的变化，必须用专用的测量电路。直流和交流电桥就可以做到。[2]

1.1.1 直流电桥

（1）直流电桥基本工作原理

图1 直流电桥

如果想让电桥处于平衡状态，即Uo=0，则必须使R1R4=R2R3。设应变片电阻及电阻变化量为R1和 ΔR1，R2/R1=n，由于 ΔR1＜＜R1，则近似可得：

（2）非线性误差及其补偿方法

差动电桥可以减小非线性误差。如果安装两个应变片，就是半桥差动电路；如果安装四个应变片，就变成了全桥差动电路。

半桥电路的输出电压为：

图2 差动电桥

若R1=R2，R3=R4，则得半桥输出电压为：

此时差动电路是没有非线性误差的，而且还可以进行温度补偿，电压灵敏度也变成了E/2，提高一倍。

对于全桥差动电路，若R1=R2=R3=R4，则输出电压为：

可见，全桥差动电路也克服了非线性误差，也可以进行温度补偿，电压灵敏度变成了E，比半桥差动电路又提高了一倍。

1.1.2 交流电桥

实际中交流电桥的应用更为广泛，他可以克服直流电桥需加放大器的问题。

图3 交流电桥

由交流电路分析可得

要满足电桥平衡条件，即Uo=0，则Z1Z4=Z2Z3。

当被测应力变化引起Z1=Z10+ΔZ，Z2=Z20-ΔZ变化时（且Z10=Z20=Z0），则电桥输出为

1.2 电感式传感器测量电路

1.2.1 差动变压器式传感器

这种传感器的测量电路多采用差动整流电路。该电路可以适于远距离传输，应用广泛。

被测量的大小和方向原理可以根据差动输出电压的大小和方向来判断。

图4 差动整流电路

1.2.2调频与调幅式电涡流传感器测量电路

（1）调频式电路

图5 调频式测量电路

传感器与LC振荡回路连接，距离x的改变将导致传感器电感的改变，进而导致振荡频率的改变，即f=L(x)，该频率可课通过频率计测量或数字电压表测量（通过f-U变换）。

振荡频率为：

（2）调幅式电路

图6 调幅式测量电路示意图

上图中的石英晶体振荡器给谐振回路提供一个稳定的激励电流i0，激励电流的频率f0，则LC的输出电压可写为：U0=i0f(Z)。式中：Z——LC回路的阻抗。

被测金属导体靠近或远离传感器线圈时，即距离x发生变化时，等效电感L也将随之发生变化。

1.3 电容式传感器测量电路

1.3.1 运算放大器式电路

由运算放大器工作原理可得

如果传感器是一只平板电容，可得

上式表明：运放输出U0与平板电容两个极板的距离d成正比例关系。

图7 运算放大器式电路原理图

1.3.2 二极管双T形交流电桥

图8 电桥原理与电路图

当传感器没有输入时，C1=C2。其电路工作原理如下：

正半周，由于VD1和VD2分别处于导通和截止状态，于是电容C1充电，电源U经电阻R1以电流I1向负载RL供电，相反，此时C2放电，电流为I2，负载电流 I=I1+I2，它们的极性如图 8（b）所示；

负半周，由于VD1和VD2分别处于截止和导通状态，于是电容C2充电，电源U经电阻R2以电流I2＇向负载RL供电，此时C1放电，电流为I1＇，负载电流 I＇=I1＇+I2＇，它们的极性如图 8（c）所示。根据上面所给的条件，C1=C2时，电源正半周和负半周流过负载的电流方向相反，平均值大小相等，一个周期来看，RL的平均电流为零。[3]

如果输入不为0，一个周期内RL的平均电流不为零，则会有输出电压，输出电压平均值为

1.4 压电式传感器测量电路

压电式传感器的测量电路必须要有高阻抗的前级输入端，为防止电荷泄露太快，同时也为了使测量误差减小，可以接入电压前置放大器或电荷前置放大器（高输入阻抗）。[4]

1.4.1 电压放大器

图9 电压放大器的等效电路

当元件受到力F=Fmsint的作用时，放大器输入端将产生电压：

放大器输入电压的最大值只与d和c相关，被测频率无关。

由上式还可以得出：若静态力作用于压电元件，电荷会通过放大器和传感器迅速漏掉，输入电压为零，所以压电传感器无法测量静态力。若交变力作用于压电元件，电荷就可以一直得到补充，为测量回路提供电流，所以压电传感器适合测量动态力。[5]

1.4.2 电荷放大器

图10 电荷放大器等效电路

上式表明，对于电荷放大器：

（1）输出电压与反馈电容端电压相接近。电荷Q只对反馈电容充电。

（2）输出电压与电荷Q成正比，与电缆的电容没有任何关系，电荷放大器的最大优势就在于此。

2 “测量电路”有效教学方法探索

在众多学校的教学中，“测量电路”这部分知识的教学效果一直都不是很好。究其原因，主要有以下两点：一、有些学校对这部分知识进行纯理论教学，枯燥且难懂，学生的学习积极性很低，对这部分知识的掌握很不理想。即便掌握了，也不能很好的应用于实践。二、大多数学校的相关实训设备都只能对测量电路进行验证性实验，学习完这部分知识，很多学生都是知其然而不知其所以然，在将来的实际生产中，也很难做到灵活应用。

通过以上分析，我们可以把对测量电路基本理论和实践的学习，有机的融为一体，采用教学做一体化的教学方法。在做中学，在学中做，切实提高这部分知识的教学效果。具体来说，我们可以模拟类似的科技公司，把学生分成若干技术小组，给每个技术小组一个特定的项目去做，让他们在完成项目的过程中，能够掌握从头到尾完成项目的所有能力。比如，可以给每个技术小组类似这样的任务：请设计一个测量电路，并独立制作出来，用制作出来的电路去测量某一个微变量。这样，当学生组成的技术团队完成接到的项目任务时，就要通过各种方法和途径，掌握相关测量电路工作原理，然后进行测量电路设计和制作，最后测量出所要测量的微变量。这样的教学实践性很强，不枯燥，可以激发学生的学习兴趣，理论和实践融为一体，学生学起来会觉得更容易，更好接受，能很好地提高教学效果。

3 结语

在教学实践中，我们采用这种教学方法收到了良好的教学效果，得到了学生和老师的一致肯定。而且这种教学方法可以很好的克服目前实训设备工程性缺失的局限，实践教学投入也较低，是一种值得借鉴的教学方法。

[1]陈艳红.传感器技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013（08）:2-3.

[2]黄晓因.电阻式传感器测量电路自校正技术的研究与应用[J].自动化仪表，2005（1）:20-21.

[3]梁鑫.压电加速度传感器测量电路的设计[J].压电与声光，2015（2）:354-356.

[4]王前洪.浅谈电容式传感器原理及测量电路[J].科技与企业，2014（21）:192.

[5]王兴举.压电传感器测量电路的性能分析[J].传感器世界，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

中国高等教育学会“十三五”高等教育科学研究规划课题“高职院校实训设备工程性缺失的案例分析与对策研究”（项目编号：16YB063）

殷永生（1980-），男，河北唐山人，江西应用工程职业学院副教授、中南大学工程硕士，研究方向：电气控制。