第二节 常见信号的变换
当敏感元件的输出为位移量时，需利用转换元件将位移转换
为电信号。
一、位移与电信号的变换
1.霍尔元件 在外磁场作用下，当有电流以垂直于外磁场方向通过它 时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间将产 生霍尔电势，其大小与磁场强度和电流乘积成正比。
Bz
UH RHBI
RH ：霍尔常数,
x I
• 霍尔式压力计
- 被测压力为0，霍尔电势输出 为0； - 被测压力升高，弹簧管产生位 移,改变霍尔元件在磁场中的位置， 霍尔电势改变。 - 被测压力越大，输出霍尔电势越大 - 通过霍尔元件将位移信号轮换为电信号
2. 电容器 当敏感元件（电容的其中一个极板）在被测量作用下产 生位移，电容量就会发生变化。
一、简单直接变换
• 结构形式
被测量
电学量
电压 电流
被测量
中 间 量
电学量
电压 电流
检测元件 简单直接变换，转换电路必不可少
• 转换电路的信息能量传递
‒
有源检测元件与转换电路连接
PL
E2RL (RL Ri)2
uL
ERL RL Ri
PL 负载有效功率 uL 转换电路输出电压
E 有源检测元件的等效电势
二、电阻与电压的变换
有外加电源法和电桥转换两种方法。
A
Io
1. 不平衡电桥的电压灵敏度
R1
R2
当RL→∞时，电桥输出电压为
UoER1R 1R2R3R 3R4
B
D
R3
R4
C
E
+ RL Uo
-
电桥平衡条件
当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3
或
R1 R3
R2 R4
电桥平衡条件： 欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相
③ 具有结构简单、结果可靠，价格便宜的特点。
三、参比式变换 • 结构形式
亦称补偿式变换，目的是消除环境条件变化对敏感元件的影 响。
四、平衡式变换 • 结构形式
C
x
xi 敏感元件
输入
+-
xf
转换元件 转换电路 反馈元件
放大器
输出y
亦称反馈式变换，指信号变换环节为闭环式结构。 根据平衡时比较器的输入信号和反馈信号之间是否有差值， 平衡式变换可分为有差随动式变换和无差随动式变换
4. 交流电桥
供给电桥工作的电源是交流电。电容、电感等阻抗的变换必 须用交流电桥。
纯电阻电桥平衡条件: R1R4=R2R3 一般阻抗电桥平衡条件: Z1Z4=Z2Z3
- 为减小非线性和温度的影响， 电容器常采用差动结构； -当被测压力或压力差作用 于膜片并产生位移时， 所 形成的两个电容器的电容量， 一个增大， 一个减小。 该 电容值的变化经测量电路转 换成与压力或压力差相对应 的电流或电压的变化。
PL （定极板）
CL CH PH
（动极板）
PL （定极板）
CL CH
等，或相对两臂电阻的乘积应相等。
电压灵敏度
电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加 入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻 抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。
若电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压 Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为：
Uo
E
R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
R1R 4
( R 1 R 1 R 2 )( R 3 R 4 )
R4 R1
E
R3 R1

1
R1 R1
R2 R1
1
R4 R3
设 桥 臂 比 n=R2/R1=R4/R3 ， 由 于 ΔR1<<R1 ， 分 母 中
ΔR1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式
Ri 检测元件内阻 ‒ 有源检测元件与转换电路连接 RL 负载电阻
P L(R LE p R P 0R LR E P 0 p R P)2R L
Rp0 检测元件初始电阻值
ΔRp检测元件电阻变化量
‒ 简单直接变换式仪表的特点
① 误差是各个环节相对误差之和，故该种计分表精度较 低。
② 当仪表的某个环节非线性，则整个仪表就存在非线性。 信息能量传输效率较低，转换电路与检测元件间需考 虑阻抗匹配。
变压器一次线圈和上下对称的两个二次线圈之间的互感 应强度随铁心 的位置而发生变化
4. 其他转换元件或方法 • 电感器
利用互感原理把位移转换成电感量的变化 L N20S
2d
N ：线圈匝数 µ0：气隙磁导率 S ：气隙横断面 d气隙长度
• 光学法
先将位移量转换成光强的变化，再用光敏元件把光信号转换成 信号。
2. 不平衡电桥的电流灵敏度
IoRTE H T H RLRTH E TR H TH 0
不同电桥结构输出结果不同 3. 不平衡电桥的特性分析
- 敏感元件电阻的相对变化量ε与输出电压和电流之间存在一定 程度的非线性（双臂和四臂工作电压灵敏度除外）； - 输出电压、电流与E和 ε成正比； - 电压工作方式不同，灵敏度大小也不相同； - 输出电压与电阻相对变化量有关，输出电流与电阻本身和相 对变化量都有关系。
可写为
Uo
(1nn)2
R1 R1
E
电桥电压灵敏度定义为
KU
Uo R1
n (1n)2
E
R1
灵敏度分析：
KU
Uo R1
n (1n)2
E
R1
① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越 高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片 允许功耗的限制，所以要作适当选择；
② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选 择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
ppHpL
p0C HC LC 0
p0
PH
1 11 1 11
CL C0 CA CH C0 CA
CLC C A0 C C A0 CHC C A0 C C A0
（动极板）
CA CL CH C0 CL CH
3. 差动变压器
利用互感原理把位移转换成 电信号的一种常用转换元件
- 原边由交流电供电； - 反向连接两个二次线圈取其差 动信号，在铁心位于中央位置时， 差动信号输出电压为零； - 当铁心因偏移中央位置时，差 动信号的输出与位移成正比的交 流电压。
化学工业出版社
主要内容
第一节 信号变换的基本形式 第二节 常见信号间的转换 第三节 典型仪表的信号变换举例 第四节 新型变送器
第一节 信号变换的基本形式
信号变换是依靠转换元件和转换电路来实现 •转换元件： 将敏感元件输出的非电物理量转换为电学量。 •转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数量转换成便 于测量的电量 ，或将非标准的电压、电流转换成统一的电流、 电压信号