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文档简介
1、电桥电路在测量中的应用传感器与检测技术 电桥电路在测量中的应用 被测量是非常微弱的,必须用专门的电路,最常用的电路就是各种电桥电路。1.1 直流测量电桥分析 如图所示为最常用的电阻电桥,有四个电阻组成桥臂,一个对角接电源,另一个作为输出。 1. 桥路形式 如图所示,电桥各臂的电阻分别为R1、 R2、R3、R4。U为电桥的直流电源电压。当四臂电阻R1=R2=R3=R4=R时,称为等臂电桥;当R1=R2=R,R3=R4=R(RR)时,称为输出对称电桥;当R1=R4=R,R2=R3 =R(RR)时,称为电源对称电桥。 2. 工作方式 单臂工作:电桥中只有一个臂接入被测量,其它三个臂采用固定电阻; 双
2、臂工作:如果电桥两个臂接入被测量,另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥,又称为半桥形式; 全桥方式:如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。 3. 输出方式 电桥的输出方式有电流型和电压型两种,主要根据负载情况而定。 (1)电流输出型 当电桥的输出信号较大,输出端又接入电阻值较小的负载如检流计或光线示波器进行测量时,电桥将以电流形式输出,如图所示,负载电阻为Rg,由图可得 应用有源-端口网络定理,电流输出电桥可以简化成下图所示的电路。图中E相当于电桥输出端开路电压Uab,R为网络的入端电阻。 流过负载Rg的电流为 当Ig=0时,电桥平衡。故电桥平衡条件为 R1R3=R2R4或当电桥负载电阻Rg等
3、于电桥输出电阻时,即阻抗匹配时,有这时电桥输出功率最大,电桥输出电流为 输出电压为 当桥臂R1为与被测量有关的可变电阻,且有电阻增量R时,略去分母中的R项则:对于输出对称电桥: 对于电源对称电桥: 对于等臂电桥 : 由以上结果可以看出,三种形式的电桥,当RR时,其输出电流都与应变片的电阻变化率即应变成正比,它们之间呈线性关系。(2)电压输出型 当电桥输出端接有放大器时,由于放大器的输入阻抗很高,所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大,这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压,其表达式为 单臂工作状态,即R1为应变片。 对于输出对称电桥: 对于电源对称电桥: 对于等臂电桥: 由上面
4、三种结果可以看出,当桥臂应变片的电阻发生变化时,电桥的输出电压也随着变化。当RR时,电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况下,等臂电桥的灵敏度要高。 在实际使用中为了进一步提高灵敏度,常采用等臂电桥,四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式,如图所示,其输出为: 由上式看出,由于充分利用了双差动作用,它的输出电压为单臂工作时的4倍,大大提高了测量的灵敏度。 1.2 交流测量电桥分析 交流电桥通常是采用正弦交流电压供电,在频率较高的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响,主要用于随时间变化的被测量。 1. 平衡条件 设交流电桥的电源电压为,式中,Um为电源电压的幅值;为电源电压的角频率,=2f;f为电源电压的频率,一般取被测量最高频率的510倍。 在测量中,电桥的桥臂由可变电阻或固定无感精密电阻组成。由于分布电容的影响,当四个桥臂均为可变电阻时电桥如图所示。此时交流电桥的输出电压为 电桥平衡的条件为: Z1Z3=Z2Z 4 2. 输出电压 由于电桥电源是交流电压,因此它的输出电压也是交流电压,电压的幅值和被测量的大小成正比。因此,可以通过电桥输出电压的幅值来测量被测量的大小,但无法通过输出电压来判断
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