第六章 信号调理电路 电桥
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▲
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声,需要去掉 噪声,提高信噪比。
3.某些场合,为便于信号的远距 离传输,需要对传感器测量信进 行调制解调处理。
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湖北工业大学 6.1 电 桥
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将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压ΔU或 电流ΔI信号后输出的一种测量电路。 a 、c两端接电源Ui,称供桥端;
R3 L1 R2 L4
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。
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说 明
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( 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。
R2 c Uo R3
直流电桥
Uo
R Ui 4 R0
R Ui 半桥、双臂输出: U o 2 R0
全桥、四臂输出:U o R U i R0 机械工程测试技术
湖北工业大学 温度补偿
选用型号和特性完全相同的两只应变片, 可以构成补偿块补偿电桥和工作片补偿电桥。
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如果相同的两应变片之一粘贴在被测试件上作为工作片,
上式表示电桥输出电压仅与作用力有关,而与温度变化产 生的热输出无关,即消除了热输出的影响。
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机械工程测试技术基础
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工作片补偿电桥
如果R1和R2都是工作应变片,但使R2粘贴于被测试 件中第一个应变片R1的相反应变处,则构成工作片 补偿电桥。 R1和R2在应力作用和温度变化影响下有:
统一表示:U o K
Uo R Ui S KU i R0 / R0 R0机械工程测试技术
Uo R0 / R0
Ui
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b
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电桥测量的误差
直流电源的电压稳定性造成的误差
温度误差 非线性误差
R 半桥、单臂输出:U o Ui 4 R0 2R
a
R1 I1 I2 R4 d Ui
3
1
2
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R1、R4 可视为电容介 质损耗的等效电阻
电容电桥的平衡条件:
根据平衡条件,有:
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Z1Z3 Z2 Z4
1 1 R1 jC R3 R4 jC R2 1 4
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另一只粘贴在与被测试件的结构材料相同而不受应力的
补偿块上,作为补偿片,构成补偿块补偿电桥。
如果相同的两应变片都是工作应变片,但使两应变片粘 贴于被测试件的相反应变处,则构成工作片补偿电桥。
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湖北工业大学 补偿块补偿电桥
如图,工作片R1和补偿片R2处于相同环境温 度下,则他们所产生的热输出相等。当被测试件 受力为F,并有温度变化Δt时,则工作应变片电 阻由原来R1变为为R’1,补偿电阻由R2变为R’2即
a R4
c Uo R3
R Ui 4R 0 2R
-
d Ui
直流电桥
电桥的灵敏度定义为
Ui
4
R
R0
(R R 0 )
Ui Uo SB R0 / R0 4
方便起见ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ取正号
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R1+ΔR
R1+ΔR
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R1+ΔR
单片
两片
R3+ΔR
四片
R2-ΔR
Z 01 Z 03e
j 1 3
Z 02 Z 04 e
j 2 4
上式成立必须同时满足以下条件: 幅值平衡条件
Z01 Z03 Z02 Z04
相位平衡条件
1 3 2 4
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。 机械工程测试技术
电桥不一定平衡,可能会有高次谐波电压输出。
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b
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:
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Z1
Z2
a
(1)供桥电源是高频交流电源;
c
Z4 Z3
Uo
( 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
~ U
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│Z│ 或 Z0 为复 湖北工业大学 机械工程学院 φ 为复阻抗的阻抗 阻抗的模 角,是各桥臂电流与 电压之间的相位差。
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第六章 信号的调理 电桥
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信号的调理 将待测信号通过放大、滤波等操作转 换成采集设备能够识别的标准信号。
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湖北工业大学 6.0 变换与调理的目的
便于信号的传输与处理。 1.传感器输出的电信号很微弱, 大多数不能直接输送到显示、 记录或分析仪器中去,需要进 一步放大,有的还要进行阻抗 变换。
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R1+ΔR
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R1 +ΔR
R3
V
R4
平衡的条件: R1· R3=R2· R4 电桥的输出:
Uo R 2 R 4 - R 1R 3 Ui (R 1 R 2 )(R 3 R 4 )
R1+ΔR
R2
ΔU
b
R2 I1 I2
R1 a R4 d Ui
U0+ΔU
c Uo R3
这时,电桥平衡吗?
交流电桥:采用交流电源——测量电阻R 、电容C 、 电感L的变化
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2. 直流电桥
采用直流电源的电桥称为直流电桥
四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4 a 组成。
R4 R1 I1 I2
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b
R2 c Uo R3 d Ui
直流电桥
R1
R3
V
R4
R2
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说 明
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(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,
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湖北工业大学 机械工程学院 1 3 2 4
4
(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φ1= φ3= 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 φ2= -φ4 的要求。
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对两种特例进行分析:
4
(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:φ1= φ2= 0 ,根据
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3
1 4
2
平衡条件对相位的要求,必
须使 φ3= φ4,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。
3
1
2
上式表示电桥输出电压仅与作用力有关,而与温度变化产 生的热输出无关,即消除了热输出的影响。 机械工程测试技术
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如图所示试件,欲测作用在其上的力F时,拟使用 金属应变片作为传感器,后接直流电桥方案,请 问应采用何种布片和组桥方案,使得既能消除温 度的影响,又能提高测量灵敏度? 参考答案:选择两个相同规格的应变片 R1 和 R2 ,同时选择两个和应变片的初 始电阻值相同的纯电阻 R3 和 R4 。将应 变片 R1 平行贴在构件上表面,应变片 R2平行贴在构件对应下表面; 根据电桥转换原理,按右图组桥就能满 足要求。
b
Z1
Z2
b、d两端接输出电压Uo,称输出端。 a
Z4
d Ui
电桥 机械工程测试技术
c Uo
Z3
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1. 电桥的分类
根据桥臂阻抗性质的不同为 :
a
Z4
d Ui
电桥
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b
Z1
Z2
c Uo
电阻电桥
电容电桥 电容电桥 根据供桥电源分为 :
Z3
直流电桥: 采用直流电源——只用于测量电阻R的变化
R2-ΔR
R4-ΔR
R3 单臂 半桥
R4
R3 双臂 半桥 R1 R4
R2
R3 全桥
R4
R2
半 R1 R 桥、 单 a 臂 R4 输 出
b
R1
R2
全 R R 1 桥、 I1 四 a I2 臂 输 R4 R d 出
b
R1
R2 I1 I2
c Uo
R3
d Ui
b 半 R1 R R2 R 桥、 I1 双a c Uo I 2 臂 R3 输 R4 d 出 Ui 机械工程测试技术
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Uo
R1' R1 R1F R1t ' R2 R2 R2 t
其中 R1 R2 R3 R4 R,
Ui
根据电桥转换原理,得:
R1t R2 t
U i R1F R1t R1t Ui Uo ( ) R1F 4 R R 4R
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令上式的实部和虚部分别相等,则得平衡条件:
R1 R3 R2 R4
R3 / C1 R2 / C4
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。
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电感电桥的平衡条件:
对图示电感电桥,推导可得:
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R1 R3 R2 R4
R2 R
c Uo
R3 R
Ui
方便起见,取正号
R3 R4 R3
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双臂 半桥
b
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R2
R1 R
a
R4
单臂 半桥 R1
b
R2 R1
R2 R
R3
R4
全桥
R2
b
R4
R1 R
R1
R2 R
I1 I2
R2 I1 I2
R1 R
a
c Uo
a
R4
I1 I2
c Uo
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3.交流电桥
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在具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的 阻碍作用叫做阻抗 。阻抗常用 Z 表示,是一个 复数 , 实部称为电阻,虚部称为电抗,其中电容在电路中对 交流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交 流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中 对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。 阻抗的单位是 欧。
R1' R1 R1F R1t ' R2 R2 R2 F R2 t
其中
R1 R2 R3 R4 R, R1t R2 t R1F R2 F
Ui
Uo
根据电桥转换原理,得:
U 0 R1F R1t R2 F R2 t U0 Uy ( ) R1F 4 R R 2R
c Uo
R3 R
R3
d Ui
R3
d Ui
R4 R
d Ui
半桥、单臂输出 R Uo Ui 4 R0
S Uo U i R0 / R0 4
半桥、双臂输出 R Uo U i 推导 2 R0
S Uo U i R0 / R0 2
全桥、四臂输出
Uo
S
R Ui R0
推导
交流电桥的平衡条件:
Z1Z3 Z2 Z4
Z Z e j Z 0 e j
b
Z1
Z2
其中,Z 为各桥臂的复阻抗:
纯电阻时电流与电压同相位: φ = 0; 电感性阻抗:φ > 0; 电容性阻抗 :φ < 0。
a
Z4 Z3
c
Uo
d
~
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U
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将复阻抗代入,可得:
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直流电桥
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为了简化设计,R2=R3=R4=R0 ,而 R1 R1=R0+ ΔR
Uo
R0+ΔR
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ΔU
b
R2 I1 I2
U0+ΔU
R 2 R 4 - R 1R 3 Ui (R 1 R 2 )(R 3 R 4 ) R 0 R 0 - (R 0 R )R 0 Ui (R 0 R R 0 )(R 0 R 0 )