请说明基于生物效应的传感技术。进一步举例说明其应用 思考题 请说明基于生物效应的传感技术。进一步举例说明其应用

检测仪表的构成和设计方法

一、检测仪表的组成 种类：流量、压力、温度等； 功能：输出信号、显示方式、温、压补偿等； 性能：量程、精度、功耗、灵敏度、可靠性等 显示 敏感元件 转换元件 信号处理 数据传输 被测参数 非线性 校正 种类：流量、压力、温度等； 功能：输出信号、显示方式、温、压补偿等； 性能：量程、精度、功耗、灵敏度、可靠性等

一体化仪表 一般比较简单； 以本地显示为主。

组合型：几种热电偶温度检测仪表的结构形式 现场安装点 检测点 热电偶 热电极 集中监控室 热电偶温度显示表 信号线 现场安装点 热电偶温度变送器 (b) 带显示的现场温度变送器 （a）不带显示的现场温度变送器 （c）现场不设温度变送器

二、检测仪表的设计方法 —信号变换 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

转换元件有应变片、电感、电容、霍尔元件、光电器件和热敏元件等； 1、简单直接变换的结构形式 敏感元件能将被测量转换成电学量 中间物理量主要有位移、光量和热量等 转换元件有应变片、电感、电容、霍尔元件、光电器件和热敏元件等； 敏感元件把被测参数转换成某种可利用的中间物理量；再通过转换元件把中间物理量转换成电学量

简单直接式变换仪表的特点? 结构简单、工作可靠； 开环仪表结构，准确度低； 线性度一般较差； 检测元件与转换电路之间需要阻抗匹配。

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； 2. 差动式 常用于检测仪表信号转换模块的设计； 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； 可提高检测仪表（系统）的灵敏度和线性度，减小或消除环境等因素的影响。

差动变换形式

差动式变压器 差动式电容器

差动式变换的特性分析 X1:转换元件的输入量 X2:干扰量 转换元件的输出特性 直接式 差动式

差动式变换的特点 灵敏度更高 线性度较高 如果转换元件的输入量和干扰量相互独立，则可以完全消除干扰量的影响

3. 参比式变换 参比法也称为补偿法； 可以减小或消除环境条件变化（温度变化、电源波动等）对测量的影响

参比法压力测量 应变式压力传感器的电桥电路，其中R为固定电阻， R1为工作应变片，粘贴在弹性元件上， R2是补偿用的应变片

参比式特性分析

16:02 无损压力检测 温度影响的消除--参比法

16:02 无损压力检测 温度影响的消除--参比法 测量位置

参比式变换的特点 能够消除环境变化（如温度）引起的误差，但要根据干扰量相对于被测量的作用效果，来确定两个检测元件输出信号的处理形式（相减或相除）； 不能克服敏感元件的非线性； 两个检测元件的性能要求完全一致，否则会引起附加误差

4. 平衡（反馈）式变换 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）为闭环结构

平衡式仪表分类 按输入信号的不同 力平衡式/力矩平衡式 电压平衡式/电流平衡式 按输入信号与反馈信号之间是否有差值 有差随动式 无差随动式

差压式变送器

有差随动式变换的特性分析 灵敏度？ 动态特性？ 前向通道放大倍数的合理选取

有差随动式变换的特性分析

无差随动变换 可逆电机M的传递函数可表示为K/s,即相当于一个积分环节，从而消除闭环负反馈的余差； 区分无差随动和有差随动的标准是前向通道是否包含积分环节。

无差随动式变换的特性分析

为什么在仪表的设计中需要引入差动式、参比式或者反馈式，意义是什么？ 思考题 为什么在仪表的设计中需要引入差动式、参比式或者反馈式，意义是什么？

三、检测仪表中常见的信号变换方法 敏感元件将被测参数转换成位移、电阻、电荷、电容、电感、光强等物理量； 而检测仪表的输出通常为电压或电流信号，电压、电流信号也易于传输，为此需要通过转换元件、转换电路实现信号间的变换； 位移---电信号 电阻---电压 电容---电压 电流---电压

1. 位移与电信号的变换 霍尔元件 电容式检测元件 差动变压器 其它 微位移转化为电压信号 位移转变成电容变化，位移量很小，如膜片 利用互感原理把位移转换成电信号 其它 电感器 光纤式

变面积式 变极距式

差动式变压器 利用互感原理实现位移检测，变压器的原边由交流电源供电，铁心与产生位移信号的敏感元件相连； 当铁心在中间位置时，上下两段副边线圈产生的感应电动势e1和e2大小相等，输出为0； 铁心在敏感元件的带动下向上移动时，则e1增大，而e2减小，使差值增大，差值的大小与铁心的位移成正比。

差动变压器式压力变送器

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 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

思考题 你能想到其它位移到电信号的转换方法吗？

电阻式检测元件应用非常广泛，可用于测量温度、应力、湿度、光强等很多参数； 2. 电阻与电压的变换 电阻式检测元件应用非常广泛，可用于测量温度、应力、湿度、光强等很多参数； 比如：应变片测量应力、热电阻测量温度等都把被测参数转换为电阻值变化； 电阻信号转换为电压（或电流）的主要方法： 外加电源，并和被测电阻一起构成回路，测量回路中的电流； 利用电桥进行转换

热导式气体检测仪 测量气室通以被测量的气体；参比气室里面充满空气； 四个气室是连体结构，他们所处的环境条件，如温度、压力、流量等，完全一样；

电容式检测元件能将很多参数的变化转化为电容值的变化； 电容器可以采用不同的形状，常见的有平行板电容器和圆筒形电容器； 电容值检测的主要方法： 3. 电容－电压的变换 电容式检测元件能将很多参数的变化转化为电容值的变化； 电容器可以采用不同的形状，常见的有平行板电容器和圆筒形电容器； 电容值检测的主要方法： 作为一个阻抗元件，采用交流电源，实现阻抗—电压的转换； 利用电容的充放电特性。

桥式电路 单臂接法

桥式电路 差动接法

差动脉宽调制电路

谐振法

4. 电压－电流转换 电压－电流转换电路 当输入电压为 时 输出电流：

电压－电流转换的特性分析 输出电流与输入电压之间的关系为：

有基准电压的电压-电流转换电路

电流—电压的转换

请举例说明减小或消除仪表非线性的方法，要求三种以上。 思考题 请举例说明减小或消除仪表非线性的方法，要求三种以上。

作业：电阻应变片测量电路 如图所示为一直流应变电桥。图中Usr=5V，温度为20℃时，R1=R2=R3=R4=100Ω，当环境温度为40℃时，由于温度升高而引起的金属应变片阻值增加ΔRt＝1Ω，试求： （1）R1为金属应变片，其余为外接电阻（阻值不随温度变化，下同）。电桥输出电压Usc=? （2）R1、R2都是金属应变片，且批号相同，其余为外接电阻，如果R2与R1感受应变的极性相反，且由于应变引起的阻值变化为ΔR1=1Ω，ΔR2=－1Ω，电桥输出电压Usc=? （3）试讨论如何通过对供电电源和应变电桥作适当改进进一步提高测量电路的灵敏度并彻底消除环境温度对测量结果的影响（假定应变片的一致性非常好，温度系数稳定）。