测量电桥原理详解分析课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 电 桥原理详解,电桥：,由首尾相联四个阻,抗构成，其对角端,分别为供桥电源和,输出端的测量电路。,电桥的作用：,把电阻、电感或电容的变化量转换为电压或电流量，以供后续电路测量记录。,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,ac,端：,供桥电源端,1,直流电桥,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,bd,端：,输出端,接入输,入电阻较大的仪表,或放大器，因此电,桥的输出端可看成,开路。,第一节 电桥,1.,直流电桥,1.1,直流电桥的平衡条件,根据电工学理论，输出电压为：,电桥平衡：,b,、,d,点电位相等，,输出,U,0,为,0,。,直流电桥平衡条件：,或,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,对臂电阻的乘积相等，,或邻臂电阻之比相等。,平衡条件与电,源电压无关。,第一节 电桥,1.,直流电桥,1.2,直流电桥的连接方式,半桥单臂：,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,R,2,R,3,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,半桥双臂：,d,c,a,b,U,U,0,R,3,R,4,R,1,R,1,R,2,R,2,第一节 电桥,1.,直流电桥,全桥：,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,1,R,3,R,3,R,2,R,2,R,4,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,1.3,电桥灵敏度,以半桥单臂为例：,由,替代,第一节 电桥,1.,直流电桥,电桥平衡时，邻臂电阻之比相等，设比值为,n,，即：,可知：（,1,）,U,0,正比于,U,；,（,2,）,U,0,正比于,n,/(1+,n,),2,；,（,3,）,U,0,正比于电阻的相对变化。,半桥单臂电桥的灵敏度为,:,第一节 电桥,1.,直流电桥,说明：,（,1,）电阻应变式传感器有：,R,/,R,=,K,，,K,为电阻应变片灵敏度系数，,为应,变，,因此,输出电压正比于应变。,（,2,）并非供桥电源电压越高，对提高输出越,有利。电压越高，电桥灵敏度提高的同,时，应变片的功耗急剧上升，使应变片,发热，难以实现温度补偿，所以,一般不,高，一般为,6,V,或,9,V,。,（3）电桥灵敏度与邻臂电阻之比有关。对,上式求导，并令其为零，可得,n,= 1,时灵敏度最大，此时,S,max,=,U,/4,第一节 电桥,1.,直流电桥,1.4,电桥的输出与和差特性,（,1,）全等臂电桥的输出,假设各桥臂分别有电阻增量，代入下式：,如果电桥初始状态是平衡的，即有,R,1,R,3,=,R,2,R,4,，,略去,R,/,R,的平方项，化简,则得电桥的输出电,压增量,为,：,第一节 电桥,1.,直流电桥,若采用等臂电桥，即,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,，,则有：,当采用相同的应变片时，,灵敏度系数均为,K,（ ,R,/,R,=,K,）,，,则上式可以写成：,第一节 电桥,1.,直流电桥,（,2,）等臂电桥的和差特性,以下讨论中，设：,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,半桥单臂,桥臂,R,1,R,1,+,R,电桥灵敏度,：,输出电压：,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,半桥双臂（异号）,电桥灵敏度,：,输出电压：,桥臂,R,1,R,1,+,R,R,2,R,2,-,R,可得：,邻臂异号变化，输出电压为两臂变化之,和，电桥灵敏度是半桥单臂的二倍。,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,半桥双臂（同号）,输出电压：,桥臂,R,1,R,1,+,R,R,2,R,2,+,R,可得：,邻臂同号变化，输出为两臂变化之差。,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,全桥四臂,电桥灵敏度,：,可得：,邻臂异号，对臂同号，电桥输出为单臂时的,四倍，电桥灵敏度是半桥单臂的四倍。若邻,臂同号，对臂异号，则电桥输出为 0。,桥臂,R,1,R,1,+,R,R,2,R,2,-,R,R,3,R,3,+,R,R,4,R,4,-,R,输出电压：,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,电桥的基本特性：,（,1,）,相减特性：,相邻两桥,臂上应变片阻值的变,化大小相等、符号一,致时，或者相对两桥,臂上应变片阻值的变,化大小相等、符号相,反时，对桥路的输出,电压没有影响。,第一节 电桥,1.,直流电桥,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,第一节 电桥,1.,直流电桥,（,2,）,相加特性：,相邻两桥臂上应变片阻值的变化大,小相等、 符号相反时，或者相对两桥臂上应变,片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的,输出电压是半桥单臂的二倍，电桥的灵敏度是,半桥单臂的二倍。,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,（,3,）,倍增特性：,相邻两桥臂上应变片阻值的变化大,小相等、符号相反时，同时相对两桥臂上应变,片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的,输出电压是半桥单臂的四倍，电桥的灵敏度是,半桥单臂的四倍。,第一节 电桥,1.,直流电桥,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,说明：,以上,这些特性在实际中,具有广泛的应用,。,例,：,一个受力变形悬臂梁，上表面受拉力，,下表面受压力。,思考题：,若仅用一个桥臂工作，,如何实现温度,补偿,。,上下表面各贴一应变,片,测量梁的应变,将二片分别接在相邻两桥臂,上,实现温度误差的自动补偿,提高灵敏度,第一节 电桥,1.,直流电桥,d,c,a,b,U,U,0,R,1,R,2,R,3,R,4,交流电桥的电路与直流电桥相同,，,但在电路具体实现上与直流电桥有两点不同：,2,交流电桥,（1）供桥电源是高频交流电源；,（2）交流电桥的桥臂可以是纯电阻，也可以是,含有电容、电感的交流阻抗。,d,c,a,b,U,U,0,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,第一节 电桥,2.,交流电桥,交流电桥的平衡条件：,其中，,Z,为各桥臂的复阻抗,：,纯电阻时电流与电压同相位,：,= 0；,电感性阻抗,：, 0；,电容性阻抗,：, 0。,第一节 电桥,2.,交流电桥,Z,或,Z,0,为复,阻抗的模,为复阻抗的阻抗,角，是各桥臂电流与,电压之间的相位差。,d,c,a,b,U,U,0,Z,1,Z,2,Z,3,Z,4,将复阻抗代入，,可,得：,上式成立必须同时满足,以下条件,：,幅值平衡条件,相位平衡条件,交流电桥平衡必须满足,幅值平衡条件,和,相位平衡条件,，即相对两臂阻抗之模的乘积相等，它们的阻抗角之和也必须相等。,第一节 电桥,2.,交流电桥,对两种特例进行分析：,（1）交流电桥四个桥臂中有两相,邻桥臂，若1、2桥臂为纯电,阻，则,：,1,=,2,= 0,，,根据,平衡条件对相位的要求，必,须使,3,=,4,，,这说明电桥,的另外两个桥臂必须具有同,性的阻抗，如容抗或感抗。,1,4,3,2,1,2,3,4,第一节 电桥,2.,交流电桥,（2）交流电桥四个桥臂中有两,对边桥臂，若1、3桥臂为,纯电阻，则,1,=,3,= 0,，,根据平衡条件对相位的要,求，其它两个对边桥臂必,须具有异性的电抗，如一,边为容抗，则另一边应为,感抗，这样才能符合,2,= -,4,的要求。,1,4,3,2,第一节 电桥,2.,交流电桥,电容电桥的平衡条件,：,根据平衡条件，有：,R,1,、,R,4,可视为电容介,质损耗的等效电阻,第一节 电桥,2.,交流电桥,令上式的实部和虚部分别相等，则得平衡条件：,可知,：,要使电桥平衡，必须,同时调节,电阻,与,电,容,两个参数达到电阻,平衡和电容平衡。,第一节 电桥,2.,交流电桥,电,感,电桥的平衡条件：,对图示,电感电桥，推导可得：,可知,：,要使电桥平衡，必须,同时调节,电阻,与,电,感,两个参数达到电阻,平衡和电感平衡。,第一节 电桥,2.,交流电桥,说 明,（1）对于纯电阻交流电桥，即,使各桥臂均为电阻，但由,于导线间存在分布电容,，,相当于在各桥臂上并联一,个电容。因此在调节电桥,平衡时，除了有电阻平衡,以外，还应有电容平衡。,第一节 电桥,2.,交流电桥,示例：,一种,用于动态应变仪中的具有电阻、电容平衡的纯电阻电桥。电容,C,2,是一个差动可变电容器,。,第一节 电桥,2.,交流电桥,（,2,）交流电桥的供桥电源要求高，其必须具有良好,的电压波形和频率稳定性。,电压波形影响其输,出灵敏度；频率稳定性影响电桥的平衡,。,交流阻抗计算中包含有电源频率的因子,，,当电,源频率不稳定，或者电压波形畸变时，交流阻,抗值就会变化，并且给电桥平衡带来困难。,比,如对基波而言，电桥达到平衡，而对高次谐波，,电桥不一定平衡，,可能会,有高次谐波电压输出。,说 明,第一节 电桥,2.,交流电桥,（,3）以上分析的电桥为,非平衡电桥,，即电桥读数时,（得到电桥输出指示值时），电桥处于非平衡,状态，这种测量方法的最大优点是可对被测量,进行动态测量。但这种电桥的输出受电源电压,的影响较大，若电源电压略有波动，就会影响,桥路输出，给测量带来较大,的,误差,。,在某些情况下,（,如进行静态测量），常,采用,平衡电桥,。,说 明,第一节 电桥,2.,交流电桥,平衡电桥：,电桥读数（输出）时处于平衡状态,。,3,平衡电桥,非平衡电桥的工作过程,：,（2）,当输入某一增量时，电桥失,去平衡，表头有输出，指针,指向某一值。,测量一次输出量,，,需调整一次平衡,。,（1）,当测量桥臂没有变化时，即,输出信号为零时，调节使电,桥平衡,，,即表头指零。,第一节 电桥,3.,平衡电桥,平衡电桥的工作过程,：,（1）,在测量桥臂没有变化时，,调整使电桥平衡，即表头,和刻度盘均指零。,（2）,测量桥臂,发生,变化时，电,桥有输出，表头指针不在,零位。需再调整使表头指,针重新指零，但此时刻度,盘不为零,。,（,3,）,刻度值与电桥测量桥臂电,阻值的变化成正比，由此,测得被测量大小。,第一节 电桥,3.,平衡电桥,测量一次输出量，,需调整,两,次平衡。,平衡电桥的特点,：,（1）输出值与供桥电源无关,，,测量精度高,。,电桥输出最终指零，其测量精度取,决于电位器的精度；平衡电桥对表,头要求不高，表头只起指零作用。,（2）平衡电桥只能测量静态量。,手动调节跟不上信号的变化,。,（3）平衡电桥操作麻烦，需两次调整电桥平衡。,第一节 电桥,3.,平衡电桥,