測量電橋原理詳解分析

1、測量電橋原理詳解分析第1頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四ac 端： 供橋電源端1直流電橋dcabUU0R1R2R3R4bd 端：輸出端 接入輸 入電阻較大的儀表 或放大器，因此電 橋的輸出端可看成 開路。第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第2頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四1.1 直流電橋的平衡條件根據(jù)電工學(xué)理論，輸出電壓為：電橋平衡：b、d 點電位相等， 輸出U0 為 0。直流電橋平衡條件：或dcabUU0R1R2R3R4對臂電阻的乘積相等，或鄰臂電阻之比相等。平衡條件與電源電壓無關(guān)。第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第3頁，共34頁，2022年，5月

2、20日，12點19分，星期四1.2 直流電橋的連接方式半橋單臂：dcabUU0R1 RR2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第4頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四半橋雙臂：dcabUU0R3R4R1 R1R2 R2第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第5頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四全橋：dcabUU0R1 R1R3R3R2 R2R4R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第6頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四1.3 電橋靈敏度以半橋單臂為例：由 替代第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第7頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分

3、，星期四電橋平衡時，鄰臂電阻之比相等，設(shè)比值為 n ，即：可知：（1） U0 正比于 U； （2） U0 正比于 n/(1+n)2； （3） U0 正比于電阻的相對變化。半橋單臂電橋的靈敏度為:第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第8頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四說明：（1）電阻應(yīng)變式傳感器有：R/R = K， K 為電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，為應(yīng) 變， 因此輸出電壓正比于應(yīng)變。 （2）并非供橋電源電壓越高，對提高輸出越 有利。電壓越高，電橋靈敏度提高的同 時，應(yīng)變片的功耗急劇上升，使應(yīng)變片 發(fā)熱，難以實現(xiàn)溫度補償，所以一般不 高，一般為 6V 或 9V。 （3）電橋靈敏度與鄰

4、臂電阻之比有關(guān)。對 上式求導(dǎo)，并令其為零，可得 n = 1 時靈敏度最大，此時 Smax=U/4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第9頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四1.4 電橋的輸出與和差特性（1）全等臂電橋的輸出假設(shè)各橋臂分別有電阻增量，代入下式：如果電橋初始狀態(tài)是平衡的，即有R1R3 = R2R4，略去R/R 的平方項，化簡則得電橋的輸出電壓增量為：第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第10頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四若采用等臂電橋，即 R1 = R2 = R3 = R4 =R ，則有：當(dāng)采用相同的應(yīng)變片時，靈敏度系數(shù)均為 K（ R/R =K），

5、則上式可以寫成：第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第11頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四（2）等臂電橋的和差特性以下討論中，設(shè)：R1= R2=R3= R4= R 半橋單臂橋臂 R1 R1+R電橋靈敏度：輸出電壓：dcabUU0R1R2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第12頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四 半橋雙臂（異號）電橋靈敏度：輸出電壓：橋臂 R1 R1+R R2 R2 -R可得：鄰臂異號變化，輸出電壓為兩臂變化之 和，電橋靈敏度是半橋單臂的二倍。dcabUU0R1R2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第13頁，共34頁，2022年，5月

6、20日，12點19分，星期四 半橋雙臂（同號）輸出電壓：橋臂 R1 R1+R R2 R2 +R可得：鄰臂同號變化，輸出為兩臂變化之差。dcabUU0R1R2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第14頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四 全橋四臂電橋靈敏度：可得：鄰臂異號，對臂同號，電橋輸出為單臂時的 四倍，電橋靈敏度是半橋單臂的四倍。若鄰 臂同號，對臂異號，則電橋輸出為 0。橋臂 R1 R1+R R2 R2 -R R3 R3+R R4 R4 -R輸出電壓：dcabUU0R1R2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋第15頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星

7、期四電橋的基本特性： （1）相減特性：相鄰兩橋 臂上應(yīng)變片阻值的變 化大小相等、符號一 致時，或者相對兩橋 臂上應(yīng)變片阻值的變 化大小相等、符號相 反時，對橋路的輸出 電壓沒有影響。第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋dcabUU0R1R2R3R4第16頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋（2）相加特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大 小相等、 符號相反時，或者相對兩橋臂上應(yīng)變 片阻值的變化大小相等、符號相同時，橋路的 輸出電壓是半橋單臂的二倍，電橋的靈敏度是 半橋單臂的二倍。 dcabUU0R1R2R3R4第17頁，共34頁，2022年，5月20日，

8、12點19分，星期四（3）倍增特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大 小相等、符號相反時，同時相對兩橋臂上應(yīng)變 片阻值的變化大小相等、符號相同時，橋路的 輸出電壓是半橋單臂的四倍，電橋的靈敏度是 半橋單臂的四倍。 第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋dcabUU0R1R2R3R4第18頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四說明：以上這些特性在實際中具有廣泛的應(yīng)用。例：一個受力變形懸臂梁，上表面受拉力， 下表面受壓力。思考題：若僅用一個橋臂工作，如何實現(xiàn)溫度補償。上下表面各貼一應(yīng)變片測量梁的應(yīng)變將二片分別接在相鄰兩橋臂上實現(xiàn)溫度誤差的自動補償提高靈敏度第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋dca

9、bUU0R1R2R3R4第19頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四 交流電橋的電路與直流電橋相同，但在電路具體實現(xiàn)上與直流電橋有兩點不同：2交流電橋（1）供橋電源是高頻交流電源；（2）交流電橋的橋臂可以是純電阻，也可以是 含有電容、電感的交流阻抗。dcabUU0Z1Z2Z3Z4第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第20頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四交流電橋的平衡條件：其中，Z 為各橋臂的復(fù)阻抗：純電阻時電流與電壓同相位： = 0；電感性阻抗： 0；電容性阻抗 ： 0。第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋Z或 Z0 為復(fù)阻抗的模 為復(fù)阻抗的阻抗角，是各橋臂電流與

10、電壓之間的相位差。dcabUU0Z1Z2Z3Z4第21頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四將復(fù)阻抗代入，可得：上式成立必須同時滿足以下條件：幅值平衡條件相位平衡條件交流電橋平衡必須滿足 幅值平衡條件 和 相位平衡條件，即相對兩臂阻抗之模的乘積相等，它們的阻抗角之和也必須相等。第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第22頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四對兩種特例進行分析：（1）交流電橋四個橋臂中有兩相 鄰橋臂，若1、2橋臂為純電 阻，則：1= 2= 0 ，根據(jù) 平衡條件對相位的要求，必 須使 3= 4，這說明電橋 的另外兩個橋臂必須具有同 性的阻抗，如容抗或

11、感抗。14321234第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第23頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四（2）交流電橋四個橋臂中有兩 對邊橋臂，若1、3橋臂為 純電阻，則1= 3= 0， 根據(jù)平衡條件對相位的要 求，其它兩個對邊橋臂必 須具有異性的電抗，如一 邊為容抗，則另一邊應(yīng)為 感抗，這樣才能符合 2= -4 的要求。1432第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第24頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四電容電橋的平衡條件：根據(jù)平衡條件，有：R1、R4 可視為電容介質(zhì)損耗的等效電阻第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第25頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星

12、期四令上式的實部和虛部分別相等，則得平衡條件：可知：要使電橋平衡，必須 同時調(diào)節(jié) 電阻 與 電 容 兩個參數(shù)達到電阻 平衡和電容平衡。第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第26頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四電感電橋的平衡條件：對圖示電感電橋，推導(dǎo)可得：可知：要使電橋平衡，必須 同時調(diào)節(jié) 電阻 與 電 感 兩個參數(shù)達到電阻 平衡和電感平衡。第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第27頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四說 明（1）對于純電阻交流電橋，即 使各橋臂均為電阻，但由 于導(dǎo)線間存在分布電容， 相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)一 個電容。因此在調(diào)節(jié)電橋 平衡時，除了有電

13、阻平衡 以外，還應(yīng)有電容平衡。第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第28頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四示例：一種用于動態(tài)應(yīng)變儀中的具有電阻、電容平衡的純電阻電橋。電容C2是一個差動可變電容器。第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第29頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四（2）交流電橋的供橋電源要求高，其必須具有良好 的電壓波形和頻率穩(wěn)定性。電壓波形影響其輸 出靈敏度；頻率穩(wěn)定性影響電橋的平衡。 交流阻抗計算中包含有電源頻率的因子，當(dāng)電 源頻率不穩(wěn)定，或者電壓波形畸變時，交流阻 抗值就會變化，并且給電橋平衡帶來困難。比 如對基波而言，電橋達到平衡，而對高次諧波，

14、 電橋不一定平衡，可能會有高次諧波電壓輸出。說 明第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第30頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四（3）以上分析的電橋為非平衡電橋，即電橋讀數(shù)時 （得到電橋輸出指示值時），電橋處于非平衡 狀態(tài)，這種測量方法的最大優(yōu)點是可對被測量 進行動態(tài)測量。但這種電橋的輸出受電源電壓 的影響較大，若電源電壓略有波動，就會影響 橋路輸出，給測量帶來較大的誤差。 在某些情況下（如進行靜態(tài)測量），常 采用平衡電橋。說 明第一節(jié) 電橋 2. 交流電橋第31頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四平衡電橋：電橋讀數(shù)（輸出）時處于平衡狀態(tài)。3平衡電橋非平衡電橋的工作過程：（2）當(dāng)輸入某一增量時，電橋失 去平衡，表頭有輸出，指針 指向某一值。 測量一次輸出量，需調(diào)整一次平衡。（1）當(dāng)測量橋臂沒有變化時，即 輸出信號為零時，調(diào)節(jié)使電 橋平衡，即表頭指零。第一節(jié) 電橋 3. 平衡電橋第32頁，共34頁，2022年，5月20日，12點19分，星期四平衡電橋的工作過程：（1）在測量橋臂沒有變化時， 調(diào)整使電橋平衡，即表頭 和刻度盤均指零。（2）測量橋臂發(fā)生變化時，電 橋有輸出，表頭指針不在 零位。需再調(diào)整使表頭指 針重新指零，但此時刻度 盤不為零。（3）刻度值與電橋測量橋臂電 阻值的變化成正比，由此 測得被測量大小。第