应变片式电阻传感器的测量电路

应变片式传感器的测量电路

电阻应变计可把机械量变化转换成电阻变化，但电阻变化是很小的，用一般的电子仪表很难直接检测。例如，常规的金属应变计的灵敏系数k 值在1.8~4.8之间，机械应变在10~6000με之间，相对变化电阻

/R R k ε∆=就比较小。

例1设某被测件在额定载荷下产生的应变为1000με，粘贴的应变计阻值120R =Ω，灵敏系数2k =，则其电阻的相对变化为

6/21000100.002R R k ε-∆==⨯⨯=

电阻变化率仅为0.2%。这样小的电阻变化，必须用专门的电路才能测量。测量电路把微弱的电阻变化转换为电压的变化，电桥电路就是这种转换的一种最常用的方法。

2.3.1 应变电桥

电桥电路即是惠斯通电桥，其结构如图所示。四个阻抗臂1234

,,,Z Z Z Z 以顺时针排列，AC 是电源端，工作电压为U ；BD 为输出端，输出电压为0U 。在这个阻抗电桥的桥臂上接入应变计，就叫应变电桥。

应变电桥按不同的方式可分为不同的类型，主要有以下分类方式。 1 按工作臂分

单臂电桥：电桥的一个臂接入应变计。 双臂电桥：电桥的两个臂接入应变计。 全臂电桥：电桥的四个臂都接入应变计。 2 按电源分

按电源不同，可分为直流电桥和交流电桥。

直流电桥的电源是直流电压，其桥臂只能接入阻性元件，主要用于应变电桥的输出，不需中间放大就可直接显示的情况。例如半导体应变计的输出灵敏度高，可采用直流应变电桥作为测量电路，直接输出并显示结果。

交流电桥的电源是交流电压，其桥臂可以是阻性（R ）、感性（L ）或容性（C ）元件。主要用于输出需放大的场合。例如金属应变计的输出灵敏度较低，应采用这种交流应变电桥作为测量电路，以进一步放大输出。

3 按工作方式分

图2.3.1 电桥电路的结构

按工作方式不同，可分为平衡桥式电路和不平衡桥式电路。

平衡桥式电路又叫零位测量法，它带有调整桥臂平衡的伺服反馈机构，当仪表指示测量值时，电桥处于平衡状态。零位测量法常用于高精度、长时间的静态应变测量。

不平衡桥式电路又称为偏差测量法，其输出的是与桥臂应变量成一定函数关系的不平衡电量，再作进一步放大和显示。当仪表指示测量值时，电桥处于不平衡状态。偏差测量法响应快，常用于动态应变测量。

4按桥臂关系分

按桥臂关系不同，可分为半等臂电桥和全等臂电桥。

半等臂电桥又可分为对电源端对称电桥（即1423,Z Z Z Z ==）和对输出端对称电桥（即

1234,Z Z Z Z ==）。

全等臂电桥满足1234Z Z Z Z ===，在实际测量中经常用到的是全等臂电桥和半等臂对输出端对称电桥。

5 按负载要求分

按负载要求不同，可分为电压输出桥和功率输出桥。

电压输出桥输出电压，负载L R →∞，即相当于输出端开路，输出电流00I =；而功率输出桥输出一定的电流，负载L R 较小，有输出电压0U 。

这节中，将按直流电桥和交流电桥的分类方法介绍应变电桥的输出特性，由于直流电桥的分析结果可推广到交流电桥，这里以直流电桥作为重点进行介绍。

2.3.2 直流电桥及输出特性

直流电桥的四个臂为纯电阻元件1234,,,R R R R ，如图2.3.2所示。电源电压U ，负载电阻L R ，电桥输出电压0U ，输出电流为0I 。电桥初始平衡条件为

1324R R R R =（或1243//R R R R =）（2.3.1）

此时电桥的输出电压00U =，输出电流00I =。

直流电桥的输出通常很小，不能用来直接驱动指示仪表，其电桥输出端接放大器的输入端，而一般放大器的输入阻抗比电桥内阻要高得多，故可认为电桥输出端为开路状态。电桥的负载电阻L R 为无穷大，基本无电流流过00I →，只有电压输出，这样的直流电桥叫电压输出桥。

图2.3.2 直流电桥的结构

1电压输出桥的输出特性

对电压输出桥，其L R →∞，00I →，因此从ABC 半个电桥看

2

12

BC R U U R R =

+（2.3.2）

从ADC 半个电桥看

3

34

DC R U U R R =

+（2.3.3）

则输出电压为

()()

1324

01234BC CD BC DC R R R R U U U U U U R R R R -=+=-=

++（2.3.4）

由此看出，当1324R R R R =时，输出电压00U =，电桥处于平衡状态。故把（2.3.1）叫电桥平衡条件。在实际测量中，电桥都要预调平衡。

设电桥在测量前已调平衡，当应变电桥的四个桥臂均工作，且产生电阻变化分别为123,,R R R ∆∆∆和

4R ∆，这时输出电压与电阻变化的关系根据式（2.3.4）得到

()()()()()()

1133224411223344R R R R R R R R U U R R R R R R R R +∆+∆-+∆+∆∆=

+∆++∆+∆++∆