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1、1,2.2.4 电阻应变片电阻传感器的测量电路,2,电阻应变片的信号调理电路 由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路电桥测量电路。,3,1.电桥分类： 按桥压分： 直流电桥； 恒流源电桥； 恒压源电桥 交流电桥 按输出方式分： 功率电桥（按低阻抗负载） 电压电桥（按高阻抗负载）,4,2.常用的几个术语 全桥：
半桥：,邻臂,对臂,5,3.电桥平衡条件,直流电桥平衡条件：,或,相对桥臂电阻之积相等。,6,交流电桥平衡条件,或,7,相对桥臂阻抗之积相等可分解为： 相对桥臂电阻之积相等 相对应的电容、电阻之积相等,交流电桥平衡条件,8,4.电桥输出公式
2、 直流电桥、交流电桥均适合：,9,电桥输出公式的使用前提条件： 1）先决条件是：电桥起始是平衡的； 2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近； 3） 仅发生微小变化； 4）假定各桥臂电阻起始是相等的。 由于 ，电桥输出公式又可写成: 上式为电桥加减特性表达式。,10,电桥输出公式讨论： 单臂工作 只有一只电阻R产生R变化时， 电桥输出电压,11,双臂工作
设R1产生正R的变化，R产生负R的变化，且变化的绝对值相等； 即 ， ， ， ， 电桥输出 若R1，R产生R的绝对值相等，符号相同时，即 ， , 则Usc=0，电桥无输出，两工作臂的作用互相抵消。,12,四臂工作 设R1、R3产生正R的变化
3、，R2、R4产生负R的变化，且R绝对值相等，即R1、R3产生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出 为单臂工作的4倍。,13,说明：虽为直流电桥形式，但对交流电桥形式也完全适用。,电桥加减特性,14,重要结论： 当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻变化时，电桥的输出可相加；当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的电阻变化时，电桥的输出应相减。 电桥输出的八字原则:
相邻相减，相对相加。,15,5. 交、直流电桥的异同点 (以输出为正电压的单臂电桥为例) 相同点：输出电压的幅值都与被测 的应变成正比； 不同点：,16, 一、 直流电桥 1. 直流电桥平衡条件 电桥如图 2-2
4、9 所示, U为电源, R1、R2、R3及R4为桥臂电阻, RL为负载电阻。 ,17,图2-29 直流电桥,18,当电桥平衡时, Uo=0, 则有 R1R4 = R2R3 或,（2-41）,式（2 - 41）称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。,19,2. 直流电桥电压灵敏度 R1为工作应变片，R2, R3,
R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时, 其电阻值变化很小, 电桥相应输出电压也很小, 一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多, 所以此时仍视电桥为开路情况。 当产生应变时, 若应变片电阻
5、变化为R, 其它桥臂固定不变, 电桥输出电压Uo0, 则电桥不平衡输出电压为,20,设桥臂比n = R2/R1, 由于R1 R1, 分母中R1/R1可忽略, 并考虑到平衡条件R2/R1= R4/R3, 则上式可写为,（2-43）,21,电乔电压灵敏度定义为,从上式分析发现: 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压, 供电电压越高, 电桥电压灵敏度越高,
但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制, 所以要作适当选择; 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数, 恰当地选择桥臂比n的值, 保证电桥具有较高的电压灵敏度。 ,22,由dku /dn = 0求RU的最大值, 得 求得n=1时, ku为最大值。这就
6、是说, 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电压灵敏度最高, 此时有 ku = ,23,从上述可知, 当电源电压U和电阻相对变化量R1/R1一定时, 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值, 且与各桥臂电阻阻值大小无关。 3. 电桥的非线性误差 由式（2-43）求出的输出电压因略去分母中的R1/R1项而得出的是理想值, 实际值计算为,24,非线性误差为
7、R1/R1=0.130, 则得到非线性误差为6%, 故当非线性误差不能满足测量要求时, 必须予以消除。,25,为了减小和克服非线性误差, 常采用差动电桥如图2-29(c) 所示, 在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路, 该电桥输出电压为,若R1=R2, R1=R2, R3=R4, 则得 Uo=,由上式可知,
Uo与（R1/R1）呈线性关系, 差动电桥无非线性误差, 而且电桥电压灵敏度ku=U/2,比单臂工作时提高一倍, 同时还具有温度补偿作用。,若将电桥四臂接入四片应变片, 如图 2-29（d）所示,此时全桥差动电路不仅没有非线性误
8、差, 而且电压灵敏度是单片的 4 倍, 同时仍具有温度补偿作用。,26,二、 交流电桥 根据直流电桥分析可知, 由于应变电桥输出电压很小, 一般都要加放大器, 而直流放大器易于产生零漂, 因此应变电桥多采用交流电桥。 当采用交流供桥载波放大时, 应变电桥也需交流电源供电。 应变电桥各臂一般是由应变计或无感精密电阻组成, 是纯电阻电桥。 但在交流电源供电时, 需要考虑分布电容的影响,
这相当于应变计并联一个电容(如图2-30所示)。 此时桥臂已不是纯电阻性的, 这就需要分析各桥臂均为复阻抗时一般形式的交流电桥。 交流电桥的一般形式如图2-30 所示, 其中Z1, Z2, Z3, Z4为复阻抗。其
9、电源电压, 输出电压均应用复数表示。 输出电压的特性方程为,27,图2-30 交流电桥,28,所以平衡条件为 或 设电桥臂阻抗为 ,29,上列各式说明: 交流电桥的平衡条件与直流电桥的不同, 需要满足两个方程式, 即必须不仅各桥臂复阻抗的模满足一定的比例关系, 而且相对桥臂的幅角和必须相等。,30,2.交流应变电桥的输出特性及平衡调节
交流电桥的初始状态是平衡的。当工作应变片R1改变R1后，引起Z1变化Z1，可算出：,略去分母中的Z1/Z1项，并设初始Z1=Z2，Z3=Z4,31,举例说明，如图 2-30所示,32,式中C1、C2表示应变片引线分布电容, 由交流电路分析可得 要满足电桥平衡条件
