物理量變化的轉(zhuǎn)換電阻課件

1、物理量變化的轉(zhuǎn)換電阻物理量變化的轉(zhuǎn)換電阻前言(1/2)許多感測(cè)器是以物理量改變而改變其本身電阻值的原理來(lái)製成熱敏電阻：溫度改變，電阻值也隨之改變光敏電阻：光的強(qiáng)弱或波長(zhǎng)長(zhǎng)短，改變內(nèi)部電阻值磁阻：依磁場(chǎng)強(qiáng)度而改變其電阻值應(yīng)變計(jì)：壓力或重量的不同造成電阻的變化2臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用前言(1/2)許多感測(cè)器是以物理量改變而改變其本身電阻值的原前言(2/2)把電阻變化量轉(zhuǎn)換成電壓大小，以代表物理量F大小轉(zhuǎn)換的方式分壓法電阻電橋法定電流法有源電橋法頻率改變法3臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用前言(2/2)把電阻變化量轉(zhuǎn)換成電壓大小，以代表物理量F大小分壓法(1/8)電路示意圖R(F)：受物理

2、量而改變電阻值的感測(cè)元件V(F)：由R(F)轉(zhuǎn)換而來(lái)的電壓值Vref：穩(wěn)定的定電壓源，使分壓法為定電壓驅(qū)動(dòng)R：分壓及限制電流之分壓電阻分壓4臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(1/8)電路示意圖6臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(2/8)假定原來(lái)物理量F和電阻值R(F)呈線(xiàn)性關(guān)係，則我們希望轉(zhuǎn)換後的V(F) 和物理量F也呈線(xiàn)性關(guān)係5臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(2/8)假定原來(lái)物理量F和電阻值R(F)呈線(xiàn)性關(guān)係，分壓法(3/8)理想線(xiàn)性關(guān)係 m, k：斜率 但分壓法將造成非線(xiàn)性誤差 為二次方程式6臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(3/8)理想線(xiàn)性關(guān)係為二次方程式8臺(tái)師

3、大機(jī)電科技系感分壓法(4/8)感溫電阻為例係數(shù) = 20/C，R(0) = 200關(guān)係式R(T) = R(0) +T = 200+ 20/C T(C)電阻變化R(T)與溫度T為線(xiàn)性關(guān)係7臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(4/8)感溫電阻為例9臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)分壓法(5/8)逐點(diǎn)計(jì)算假設(shè)Vref = 10.000VR分別選用1K和10K製表8臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(5/8)逐點(diǎn)計(jì)算10臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(6/8)R的大小影響線(xiàn)性和靈敏度VA(T)代表VA(T+5) VA(T) = VA(T)9臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(6/8)

4、R的大小影響線(xiàn)性和靈敏度11臺(tái)師大機(jī)電科技系分壓法(7/8)分壓法做為電阻對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換方法，都會(huì)有非線(xiàn)性的情況發(fā)生上表數(shù)據(jù)繪圖如下10臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(7/8)分壓法做為電阻對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換方法，都會(huì)有非線(xiàn)性分壓法(8/8)分壓法是將電阻轉(zhuǎn)換成電壓最簡(jiǎn)便的方法分壓法一定會(huì)引起非線(xiàn)性誤差R愈小，靈敏度愈大，線(xiàn)性誤差愈大R愈大，靈敏度較小，線(xiàn)性誤差變小11臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用分壓法(8/8)分壓法是將電阻轉(zhuǎn)換成電壓最簡(jiǎn)便的方法13臺(tái)師電阻電橋法(1/8)正式名稱(chēng)叫惠斯登電阻電橋驅(qū)動(dòng)法定電壓電橋定電流電橋12臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(1/8)正式名稱(chēng)叫

5、惠斯登電阻電橋14臺(tái)師大機(jī)電科電阻電橋法(2/8)平衡時(shí)，對(duì)角線(xiàn)電阻的乘積相等，即R1 R3 = R2 R(T)使得VP = VQ，相當(dāng)於V(T) = VP VQ = 0V13臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(2/8)平衡時(shí)，對(duì)角線(xiàn)電阻的乘積相等，即R1 電阻電橋法(3/8)若R1 = R2 = R，R3 = R(0)而R(T) = R(0) +T ，則造成非線(xiàn)性誤差14臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(3/8)若R1 = R2 = R，R3 = R(電阻電橋法(4/8)若R + R(0) T 時(shí)V(T)和T呈線(xiàn)性關(guān)係即當(dāng)很小時(shí)，物理量所造成電阻的變化量非常小(例：應(yīng)變計(jì)，

6、受壓力其電阻變化以m計(jì))若再選用R R(0)時(shí)V(T)完全成正比於溫度T是很好的線(xiàn)性關(guān)係15臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(4/8)若R + R(0) T 時(shí)17臺(tái)師大電阻電橋法(5/8)若原來(lái)R(T)本身的線(xiàn)性不理想時(shí)，就必須先做非線(xiàn)性修正R阻值愈大，其非線(xiàn)性誤差愈?。坏玆若太大，將使R(T)的電流非常小，則易受雜訊干擾16臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(5/8)若原來(lái)R(T)本身的線(xiàn)性不理想時(shí)，就必須電阻電橋法(6/8)R3可選用等於待測(cè)溫度下限時(shí)的R(T)，則在TC時(shí)，使得V(TC) = 0V = 電錶不偏轉(zhuǎn)時(shí)的溫度表待測(cè)溫度下限(此乃歸零調(diào)整)17臺(tái)師大機(jī)電科技

7、系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(6/8)R3可選用等於待測(cè)溫度下限時(shí)的R(T)，電阻電橋法(7/8)電阻電橋的輸出電壓V(T)幾乎都被送到差值放大器去處理，能達(dá)到放大作用又同時(shí)抵消共模雜訊干擾缺點(diǎn)：輸入阻抗太小，改變放大率必須調(diào)整兩個(gè)電阻18臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(7/8)電阻電橋的輸出電壓V(T)幾乎都被送到差電阻電橋法(8/8)儀器放大器是電阻電橋最佳拍檔具有極高的輸入阻抗同時(shí)擁有差值放大器抵消共模雜訊干擾的優(yōu)點(diǎn)放大率固定Ra、 Rb、 Rc，只調(diào)整VR2控制增益19臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用電阻電橋法(8/8)儀器放大器是電阻電橋最佳拍檔21臺(tái)師大機(jī)定電流法-負(fù)載

8、接地型(1/3)定電流法：一穩(wěn)定的定電流Iref，流過(guò)電阻變化感測(cè)器R(T)產(chǎn)生壓降 V(T) V(T) = Iref R(T) = Iref ( R(0) + T )電路中R(T)一端接地，所以稱(chēng)之接地型定電流法轉(zhuǎn)換&參考電路20臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用定電流法-負(fù)載接地型(1/3)定電流法：一穩(wěn)定的定電流Ire流經(jīng)R(T)的電流Iref =其中V23：參考電壓IC的輸出R1：精密電阻，用以設(shè)定I1大小，達(dá)到定電流Iref的目的Iq：參考電壓IC靜態(tài)工作電流，通常很小定電流法-負(fù)載接地型(2/3)21臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用流經(jīng)R(T)的電流Iref =定電流法-負(fù)載接地型(

9、2/3若I1 Iq時(shí)，則Iq是溫度函數(shù)，故想得到一個(gè)負(fù)載接地型且極穩(wěn)定的定電流源並不容易所以?huà)?cǎi)用此法必定要找Iq較小的參考電壓IC定電流法-負(fù)載接地型(3/3)22臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用若I1 Iq時(shí)，則定電流法-負(fù)載接地型(3/3)24臺(tái)師因R(T)並沒(méi)有真正接地，所以稱(chēng)之負(fù)載浮接型驅(qū)動(dòng)法Vref驅(qū)動(dòng)&Vref驅(qū)動(dòng)定電流法-負(fù)載浮接型(1/4)23臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用因R(T)並沒(méi)有真正接地，所以稱(chēng)之負(fù)載浮接型定電流法-負(fù)載浮定電流法-負(fù)載浮接型(2/4)若I1 I(-)時(shí)，且OP Amp輸入阻抗夠大，當(dāng)Vref 是穩(wěn)定電壓源， R1是溫度係數(shù)很小的固定電阻，則I1就是

10、極穩(wěn)定的定電流24臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用定電流法-負(fù)載浮接型(2/4)若I1 I(-)時(shí)，且OP定電流法-負(fù)載浮接型(3/4)電流Iref流過(guò)R(T)，於OP Amp輸出V(T)虛接地V = V+ = 0VT和V(T)呈線(xiàn)性關(guān)係能由R1直接控制Iref的大小25臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用定電流法-負(fù)載浮接型(3/4)電流Iref流過(guò)R(T)，於O定電流法-負(fù)載浮接型(4/4)無(wú)法使待測(cè)物理量下限時(shí)得到V(T) = 0V = 電路本身無(wú)法做歸零調(diào)整因V+直接接地，因地線(xiàn)所感應(yīng)的雜訊造成偵測(cè)上的誤差可用有源電橋加以改善 26臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用定電流法-負(fù)載浮接型(4/

11、4)無(wú)法使待測(cè)物理量下限時(shí)得到V(有源電橋法(1/5)與負(fù)載浮接型最大差別在於OP Amp+端驅(qū)動(dòng)法Vref驅(qū)動(dòng)& Vref驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電壓克服雜訊干擾歸零調(diào)整滿(mǎn)刻度調(diào)整差值放大器：抵消共模雜訊干擾27臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用有源電橋法(1/5)與負(fù)載浮接型最大差別在於OP Amp+有源電橋法(2/5)歸零調(diào)整(1/2)希望V(TL) = OV，TL為待測(cè)溫度下限選用R2 = KR1，R3 = KR(TL)可達(dá)此目的 虛接地28臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用有源電橋法(2/5)歸零調(diào)整(1/2)30臺(tái)師大機(jī)電科技系感有源電橋法(3/5)歸零調(diào)整(2/2)在R2 = KR1情況下若R3 =

12、 KR(TL) ，則V(TL) = OV = 歸零調(diào)整29臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用有源電橋法(3/5)歸零調(diào)整(2/2)31臺(tái)師大機(jī)電科技系感有源電橋法(4/5)滿(mǎn)刻度調(diào)整(1/2)若溫度於TL+T時(shí)， R(TL+T) = R(TL) +T 輸出電壓當(dāng)R2 = KR1，R3 = KR(TL)，則30臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用有源電橋法(4/5)滿(mǎn)刻度調(diào)整(1/2)32臺(tái)師大機(jī)電科技系有源電橋法(5/5)滿(mǎn)刻度調(diào)整(2/2)R1、R(TL)、Vref 、都是固定值，則當(dāng)溫度高於TL，每增加1 C，V(T)就增加伏特從表示式可知改變R1大小，將得到不同值可經(jīng)由R1控制待測(cè)溫度上限=

13、滿(mǎn)刻度調(diào)整31臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用有源電橋法(5/5)滿(mǎn)刻度調(diào)整(2/2)33臺(tái)師大機(jī)電科技系非線(xiàn)性補(bǔ)償(1/4)各感測(cè)元件皆有其非線(xiàn)性的部分電阻變化量也不一定隨物理量增加而增加R(T) = R(0) +T正值變化：溫度係數(shù) 0負(fù)值變化：溫度係數(shù) 相當(dāng)於以頻率代表物理量的變化36臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用頻率改變法(1/5)許多利用R和C產(chǎn)生振盪信號(hào)的電路中，改變頻率改變法(2/5)頻率改變法方塊圖R(F)：受物理量而改變電阻值的感測(cè)元件f(F)：物理量改變，使得R(F)改變導(dǎo)致振盪頻率隨物理量大小而改 變 = 振盪頻率f(F)代表物理量Vo(F)： 把f(F)經(jīng)頻率對(duì)電壓轉(zhuǎn)換器變成輸出電壓37臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用頻率改變法(2/5)頻率改變法方塊圖39臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)頻率改變法(3/5)方波產(chǎn)生器38臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用頻率改變法(3/5)方波產(chǎn)生器40臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理頻率改變法(4/5)三角波產(chǎn)生器39臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用頻率改變法(4/5)三角波產(chǎn)生器41臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原頻率改變法(5/5)正弦波產(chǎn)生器40臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原理與應(yīng)用頻率改變法(5/5)正弦波產(chǎn)生器42臺(tái)師大機(jī)電科技系感測(cè)器原參考文獻(xiàn)盧明智、盧鵬任編著，感測(cè)器應(yīng)用與線(xiàn)路分析-三版，臺(tái)北縣土城市