电桥电路在测量中的应用

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