《L09电桥整理完》PPT课件.ppt

1、自动检测技术及仪表,Test & Measurement Technologyand Automatic Instrumentation,CISTBUCT 2011,M&T,AI 检测元件与检测技术,简单变换中的阻抗匹配 有源元件 RL = RI 无源元件 RP0 = 2RL 电桥 等效电路,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥特性 电压输出时，单臂工作的电压灵敏度存在一定的非线性，双臂工作、四臂工作的电桥是线性的。 输出值均与 和 E 成正比。 单臂工作电桥的灵敏度最低，双臂工作电桥、四臂工作电桥的灵敏度逐渐提高，非线性误差也小。 电压输出值与电阻的大小无关，仅与电阻相对变化量 有关

2、；电流输出值与电阻值及其相对变化量都有关。,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥特性 电压输出 电流输出,第部分基础知识,第二章检测元件 与检测技术,不平衡电桥设计 自平衡电桥及其它变换电路,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 结构设计 单臂工作、双臂工作、四臂工作 简单变换、差动变换、参比变换 等臂电桥、第一对称、第二对称、一般电桥 参数设计 桥臂电阻 供电电压 自平衡电桥 电桥（平衡电桥）,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 结构设计,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 结构设计 单臂工作、双臂工作、四臂工作检测元件的数量和形式决定 简单变

3、换、差动变换、参比变换单臂工作（简单变换）双臂工作（差动变换/参比变换）四臂工作（差动变换/参比变换） 等臂电桥、第一对称、第二对称、一般电桥,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 结构设计 参数设计 单臂工作第二对称不平衡电桥设计桥臂电阻供电电压,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率确定电阻型检测元件的电阻相对变化率，一般是被测变量的非线性函数。,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 输出电压已知 ，定义 ， 有,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 输出电压当

4、 m = 1 时，对应于等臂电桥和第一对称；当 m 1 时，对应于第二对称和一般电桥。输出值与 和 E 成正比；电压输出值与电阻的大小无关。,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 非线性误差当 很小时，线性化输出电压特性由非线性误差的定义若给定非线性误差上界 则 。,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 非线性误差若要消除第二对称单臂工作的不平衡电桥的非线性误差，要求 m ；意味着，E 。电流源代替电阻,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 最大化输出此时，非线性误差为,M&T,AI 检

5、测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 供电电压构成电桥的各个元件都消耗能量，供电电压对元件的耗散功率有要求。考虑最不利情况,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 供电电压给定元件最大耗散功率同理，对 R2一般情况下，m 1，P20 P10。,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度）其它形式的不平衡电桥设计方法类似（课后练习）,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 电压输出（电压灵敏度） 电流/功率输出（电流灵敏度）设计时需要考虑阻抗匹配,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计总结 结构

6、设计由检测元件、变换元件的数量和构成方式决定 单臂工作单臂工作第二对称不平衡电桥设计 双臂工作/四臂工作差动结构 变化相同放对臂、变化相反放邻臂参比结构 变化相同放邻臂 参数设计 桥臂电阻、供电电压,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计总结 电压输出（电压灵敏度） 相对变化率 输出电压 非线性误差/最大化输出 供电电压,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计总结 电流/功率输出（电流灵敏度）一种简化的设计方法（一般电桥） 相对变化率 输出电压 非线性误差/最大化输出 阻抗匹配 供电电压,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥 电流灵敏度,M&T,AI 检测元件与检测

7、技术,不平衡电桥的应用 应变片的热输出补偿方法 热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。 温度自补偿法 桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿- 双丝半桥式- 补偿块法,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥的应用 应变片的热输出补偿方法 热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。 温度自补偿法 桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿- 双丝半桥式- 补偿块法,M&T,AI 检测元件与检测技术,实际电容检测元件 等效电路 C 为传感器电容 RP 为低频损耗并联电阻（包括极板简漏电和介质耗损） RS 为高频、高湿工作时的串联损耗电阻（包括导线、极板

8、间和金属衬支座等损耗电阻） L 为电容器及引线电感 CP 为寄生电容、边缘效应电容,M&T,AI 检测元件与检测技术,实际电感检测元件 等效电路 L 线圈电感 Re 铁心涡流损耗 Rc 线圈铜损电阻 Rh(f) 磁滞损耗电阻(是频率的函数) C 线圈寄生电容,M&T,AI 检测元件与检测技术,不平衡电桥设计 交流电桥 电桥工作电源为交流电 适用于含有电容、电感等阻抗的变换 电桥输出也为交流信号，便于放大处理 分析方法与直流电桥相似，将电阻换为阻抗,第部分基础知识,第二章检测元件 与检测技术,不平衡电桥设计 自平衡电桥及其它变换电路,M&T,AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 不平衡电桥

9、 单臂电桥的电压输出与 为非线性关系 影响输出不确定度的因素多 桥路供电电压也影响输出,M&T,AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 利用电桥平衡原理构成的电测仪器，不仅可以测电阻，也可以测电容、电感。并可通过这些物理量的测量来间接测量非电学量，例如温度、压力等，因此电桥电路在自动化仪表和自动控制中有着广泛的应用。,Charles Wheatstone,M&T,AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 惠斯登电桥（Wheatstone Bridge） 1843 年 Charles Wheatstone 当电桥平衡时 与电桥供电电压无关 一般用于电阻的测量 也适用于电抗的测量,M&T,A

10、I 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 其它电桥,Charles Wheatstone,M&T,AI 检测元件与检测技术,电桥（平衡电桥） 测量方法简明 仪器结构简单，操作方便 测量的灵敏度和精确度较高 需要手工调试 实际检测元件均非简单元件，采用一种电桥无法完成测量,M&T,AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作不平衡电桥,M&T,AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥,M&T,AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥,M&T,AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥 输出电压与电阻的相对变化率为线性关系 适用于电阻、电容和电感构成

11、的电抗网络的测量,M&T,AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 实际应用,M&T,AI 检测元件与检测技术,自平衡电桥 单臂工作自平衡电桥 例：电容-电压转换,M&T,AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 脉宽调制,M&T,AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 调频电路 振荡器谐振频率 频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小。但此时系统是非线性的，不易校正。因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化。 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至 0.01m级位移变化量。,M&T,AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 电压电流,M&T,AI 检测元件与检测技

12、术,其它变换电路 电压电流 电流电压,M&T,AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 电压电流 电流电压,M&T,AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 常用的位移电信号变换 位移转变成电容位移量很小，如膜片 利用霍尔元件 利用差动变压器差动变压器是利用互感原理把位移转换成电信号的一种常用的转换元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,其它变换电路 常见的位移信号 温度测量中双金属片tx 压力测量中弹性元件px 物位测量中浮筒H(f)x 流量测量中转子流量计qx,M&T,AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 差分放大电路 单运放构成的差分放大电路,M&T,AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 差分放大电路 用电压跟随器提高输入阻抗,M&T,AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 三运放构成的仪表放大器,M&T,AI 检测元件与检测技术,仪表放大器 三运放构成的仪表放大器 能够对差