2023学年完整公开课版测量电桥01

高等职业教育数字化学习中心连铸自动化岗位培训测量电桥电桥的基本概念和种类

一．电桥的基本概念如果测量的是电阻值的微弱变化量，则需要用测量电桥。测量电桥是最常见的信号调理电路之一。它结构简单，应用广泛。基本的测量电桥如图所示，又称为惠斯通电桥。电桥的输出可灵敏地反映出桥臂上电阻的变化量，不含初始分量。图中U为供桥电源，可为直流或交流电源。Z1、Z2、Z3、Z4为电阻、电容或电感这些电抗元件，称为电桥的四个桥臂。这四个电抗元件可能并不都是传感器的敏感元件，有些元件只是为使电桥对称而配上去的固定电抗元件。电桥被广泛应用于检测电路的原因：1）电桥能把反映被测信号变化的电阻、电容、电感等电抗参数的变化，进一步变换成电压或电流的变化，从而便于信号的放大和处理。2）电桥使得微弱的有效信号不会被淹没在相对较大的静态成分（例如直流偏置）之中。电桥电路的四个桥臂Z1、Z2、Z3、Z4中，并不是每一个桥臂都是工作桥臂（即传感器的敏感元件）。若只有Z1是工作桥臂，则采用图所示的分压式电抗—电压转换电路也能把电抗参数Z1转换成电压或电流输出。与之相比，此时若使用电桥则能使输出电量（电压或电流）不含静态成分（若为直流电桥，则指直流成分）。即当输入信号为零时，可方便地调节电桥的某些桥臂，使电桥处于平衡状态，从而使输出为零。二．电桥的分类1．按电桥的工作状态分类：可分为平衡电桥、不平衡电桥。（1）不平衡电桥（偏位法测量电桥）：设其初始工作状态是平衡状态，此时输出u0为零。当电桥的工作桥臂电阻R1感受被测参量的变化而作相应变化时，电桥失衡，电桥的输出为不平衡电压u0。由于在整个测量过程中，电桥始终处于不平衡状态，所以被称为不平衡电桥（2）平衡电桥（零位法测量电桥）：其初始工作状态为平衡状态，输出u0为零。当桥臂随被测量变化而变化时，电桥不平衡电压u0送至一伺服机构。此机构将自动调整桥臂R3的阻值，使电桥恢复平衡。此时电桥输出电压u0为零。被调整桥臂电阻R3产生的变化（此变化通常用刻度表示）与被测参量成函数关系。平衡电桥主要用于静态测量或在反馈系统中起比较器作用。在自动检测中则大量采用不平衡电桥，由它将R、C、L一类电路参数的变化变换成电桥的不平衡输出（电压或电流）。2．按组成桥臂的参数分类：可分为电阻电桥和阻抗电桥。电阻电桥的四个桥臂均为电阻。阻抗电桥的工作臂为阻抗元件电容或电感；其他桥臂可以是阻抗元件，也可以是电阻。3．按供桥电源的类型分类：可分为直流电桥和交流电桥，还可分为恒压源电桥和恒流源电桥。（1）直流电桥特点：稳定性高电桥的平衡调节简单但作不平衡电桥工作时输出直流信号易受干扰，后接直流放大器放大时也易产生零漂（2）交流电桥特点：平衡调节困难易受分布参数影响但因其输出为交流信号，其后接交流放大电路相对容易一些4．按电桥的工作桥臂个数分类：可分为单臂、双臂（同向或差动变化）和差动全桥。单臂电桥的工作臂只有一个。双臂电桥的工作臂为两个，两臂为同向变化时，应分别置于电桥的相对桥臂；两臂为差动变化时，应置于电桥的相邻桥臂。差动全桥的四个桥臂均为工作臂必须保证电桥的相邻桥臂向相反方向变化。直流电桥一．恒压源直流电桥1．直流电桥的初始平衡调节：图(a)、(b)所示为串联调节方法；图(c）、(d)所示为并联调节方法。2．电桥工作时的输出电压：

左图所示的电桥用戴维南定理化简后，如右图所示：电桥的开路输出电压u0为：电桥的输出电阻为R0得电桥的输出电流

为：故得电桥输出电压为：且电桥输出功率为：设负载电阻RL为无穷大；电桥工作时，桥臂阻值变化则：由于ΔRi<<Ri，忽略二阶微量ΔRiΔRj得：可以忽略可得结论：电桥的输出电压取决于每个桥臂电阻的相对变化。3．电桥的灵敏度分析：由上式知，电桥的灵敏度S与以下几个因素有关：（1）电桥的灵敏度S与供桥电源电压U成正比：提高供桥电压，可以提高灵敏度。但一般电桥电阻的功率受到限制，例如应变片电阻电桥中要求应变片电流不超过20~30mA，所以供桥电压受到限制，否则会导致电流和功耗过大。（2）电桥的灵敏度与桥臂电阻的比值与m=R2/R1有关。在m=1时达到极大值，这时灵敏度最大。此时R1/R2=R3/R4=1，称为半等臂电桥。（3）电桥的灵敏度还与工作臂的数量有关，当四个桥臂都是工作臂时，ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4都不为零，此时灵敏度最高。4．电桥的非线性分析：定义电桥的线性输出为,则实际上定义非线性系数为可求的：对半等臂电桥来说，R2

/R1=，在ΔRi<<Ri时，有可见，非线性误差随着电阻相对变化量增大而增大。二．恒流源直流电桥1．不平衡输出：图中I为直流恒流源；i1为流过R1支路的电流；i3为R3支路的电流。由电路原理可列以下方程：

可见，对于紧耦合电容电桥，当（远离谐振点），灵敏度与电源频率基本无关；而对于紧耦合电