浅谈电桥电路及其若干应用

浅析电桥电路及其若干应用

摘要：说明了电桥电路的工作原理和特点，浅谈了电桥电路中的平衡问题和几种平衡电桥的方法。最后，列举了一些电桥电路在工程实际中的应用。

关键字：电桥电路 工作原理 平衡

Abstract ：Illustrates the working principle and characteristics of bridge circuit, mainly talks about the balance of the bridge circuit, some of the ways to balance bridge.Finally, lists some bridge circuit in the practical engineering application.

Keywords ：bridge circuit ，working principle ，blance

引言

在工程实际中，被测量往往都是非常微弱的，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路就是电桥电路，它是测试系统中不可或缺的一部分，是信号处理的关键。由于具有灵敏度高、精确度高、非线性误差小、可测差动变化方向、还可抑制共模干扰信号和消除温度误差等特点，在工程实际中有着广泛的应用。

1、电桥电路工作原理和特点

在电阻应变测量中，由于应变片的电阻变化非常小（一般是百分之几到万分之几），用一般的测量仪表不能直接精确测量，因此必须运用某种形式的测量电路。 通常采用电桥电路将微小的电阻变化量转换成易于放大和记录的电压或电流的变化量，经电子放大器放大后，用仪表显示或者记录。 电桥电路具有灵敏度高 （可测量6310~10 数量级的微小电阻变化）、结构简单、线性度好、测量范围宽、易于实现温度补偿等优点，在测试技术中得到广泛的应用。电桥电路按照其工作方式可以分为平衡电桥和非平衡电桥。[1]

平衡电桥的工作方式为：测量前将电桥调节为平衡状态，测量时因桥臂阻值发生变化让电桥失去平衡，此时调节电桥的某桥臂的电阻值使电桥重新回到平衡状态使电桥输出为零， 再以该桥臂电阻的调整量读出被测信号的大小。其优点是测量精度高，但此方法在读数前

要再次调节使电桥平衡，故只用于静态测量。

非平衡电桥的工作方式为：测量前将电桥调节为平衡状态，测量时因桥臂阻值发生变化使电桥失去平衡，此时可在其测量端接指示仪器直接读出输出的电压或电流，当输出的为电压信号时称为电压桥，输出为电流时称为功率桥。 在传感器应用中主要采用不平衡电桥。

在实际测量中， 无论采用哪种方式都必须在测量之前将电桥调节为平衡状态。事实上，由于各枚应变片的测量误差、 各条导线的电阻和各焊接点的接触电阻的差异，以及分布电容影响等，使得各桥臂的阻值不可能完全相等。这样，在测量前电桥就失去平衡，输出一个虚假应变信号，从而造成测量误差。 故在电桥电路中，必须设置预调平衡装置，使各桥臂的电阻值满足电桥电路的平衡条件—R 1×R 3=R 2×R 4 (R 1、R 3、R 2、R 4分别为电桥电路 4 个桥臂的阻值）。电桥加减（和差）特性是电桥电路非常重要的特性之一，也是电桥电路组桥接线的重要依据。根据电桥的工作原理， 当电桥为全等臂电桥（R 1=R 3=R 2=R 4=R 0）且各桥臂的电阻分别发生变化∆R 1、∆R 3、∆R 2、∆R 时，电桥输出电压为：

312401234

012341()414R R R R U U R R R R U K εεεε∆∆∆∆∆=-+-=-+-（）由上式可以看出，电桥的输出电压与电阻变化及应

变的符号相关，式（1）可称为电桥加减特性的表达式，其表现了电桥的一个重要特性———电桥加减特性。 该特性也可表述为：相邻桥臂，同号相减，异号相加；相对桥臂，同号相加，异号相减。[2]

2、电桥电路中的平衡问题

2.1电桥电路的平衡

当电桥处于平衡状态时,被测电阻X R 的值只与R 1、R 3、R 2、的值有关,即: 231

*X R R R R = 而与所使用的电源的电动势(或AC U )的值和电流表的内阻X R 无关。 但是,在实施具体测量时,由于电流表的灵敏度所限,当观察到电流表指针指零时,电桥并不一定平衡,从而会给测量结果带来较大的误差。若我们把电流表指针指零时叫做电桥的视平衡,那么,判定电桥是处于平衡还是处于视平衡,就成为减小测量误差的很重要的一个方面。所以,在实际测量阻值时,采用如图2所示的电路来做出该进,图2与图1相比多了变阻器R 和r [3]，以此来提高测量的准确度。

2.2利用积分反馈电路实现桥路自动平衡

如图3所示,由A3、R 、C 组成的积分电路,其输入、输出关系为:

001

()()t

V t Vi t dt τ=-⎰ 式中CR τ=为积分时间常数。如果将积分电路的输入端接放大器输出端，积分电路的输出端接放大器参考端,那么由于负反馈作用,放大器输出端的电压会因参考端电压的变化而逐渐趋于零,从而达到调零的目的,归零的时间与积分时间常数r 有关。r 越大,则归零时间越长,但电容器漏电和电路寄生参数的影响将增加;r 若小,则积分漂移将增大。故r 值的选取是有限的,一般取172

BC C C C C =成为宜。调零的目的是为了测试,因此,调零结束后,还要将积分电路的输入端与放大器输出端断开,这时候放大器输出端若要保持无零偏状态,则积分电路的输出端应保持断开前的电压值,这就要求电容器无漏电。所以在实际应用中,应尽可能选取漏电阻大,泄漏小的电容器,如聚苯乙烯等电容器,这对电路平衡的保持时间至关重要。[4]

该电路结构简单,制作方便,价格便宜,调零效果好,但对器件性能要求高,保持时间较短。

2.3利用A/D,D/A 转换器实现桥路自动平衡

如图3所示,该电路利用二进制计数器的计数输出端作为D/A 转换器的数字信号输入,D/A 转换器的模拟输出信号经放大(或反向放大)后送到仪表放大器的参考端。当按下自动平衡按钮后,通过单稳电路给一定时脉冲使计数器清零,同时启动振荡器工作。计数器清零后,D/A 转换器输出一固定负的(或正)电压值,经反向放大后送到仪表放大器的参考端,此时不论零偏为正或为负,加在仪表放大器参考端的大电压值可保证其输出均为一正电压值甚至过载(可用表头显示),随着计数器的不断计数,D/A 转换器的输出逐渐由负值向正值变化,仪表放大器的参考端电压则由正向负变化,相应其输出也不断减小,当其输出值由正电压变为负电压的瞬间,过零检测电路给出信号使振荡器停振,计数器停止工作,D/A 转换器的输出值也不再变化,这时仪表放大器的输出基本无零偏(1mV 左右)。由于计数器的记数值是被保持的,故加到仪表放大