第7次课电桥&运算放大电路

电容电桥平衡时，有：
( R1 1 1 ) R3 ( R4 ) R2 jC1 jC4
令实部和虚部分别相等，得到电 器平衡条件： R R R R 1 3 2 4
R3 R2 C1 C4
电容电桥 要使电桥平衡，必须 同时调节电阻达到电 阻平衡，调节电容达 到电容平衡。
机械工程测试技术基础
纯电阻时电流与电压同相位
i I m sin t di LI m sin(t 90) 感性阻抗，电压超前电流90° dt i I m sin t 1 1 Im uC idt sin(t 90) 容性阻抗，电流超前电压90° C C

机械工程测试技术基础
电容传感器 电感传感器
第四章信号的调理与记录
U 0成正比，且在 R R0
条件下，与 R / R0成正比。
灵敏度
1 S U0 R / R 4
上 目 页 录
Uy
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第四章信号的调理与记录
（2）半桥（双臂）接法 R2 R1 R
R1 R1 R4 Uy R R R R R R U 0 1 2 2 3 4 1 R U0 2 R0 Uy 1 灵敏度 S U0 R / R 2
第四章信号的调理与记录
b
R1
R2
a
R4
I1 I2
R3
c
Uy
由于ⅰ和ⅲ电桥的输出 电压灵敏度大，故测量电 桥常采用这两种形式。
d
U0
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（1）单臂接法
输出电压
R1 R R4 Uy R R R R R U 0 2 3 4 1
第四章信号的调理与记录
Z 01Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4
其中，Z 01、Z 02、Z 03、Z 04 为各阻抗的模； 1、 2、3、 4 为阻抗角
注释： 阻抗角—各桥臂电压与电流之间的相位差。
u R iR RI m sin t
uL L
i I m sin t
a
I1 I2 R4
R3
c
Uy
d
U0
要使电桥平衡，输出为零，应满足
R1R3 R2 R4
U 0 为直流电源
U y 为输出电压
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3、输出特性
• 当R1=R2,R3=R4,是输入电 压对称电桥（ⅰ）； • 当R1=R3,R2=R4,是输出电 压对称电桥(ⅱ)； • 当R1=R2=R3=R4,是等臂 电桥(ⅲ)。
电位器H上的标度与桥臂电阻值 的变化成比例，故H的指示值可以直 接表达被测量的数值。
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第四章信号的调理与记录
1 感抗Z L jL jC
二、交流电桥
阻抗：R、 容抗Z c
交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、 电容或电阻。 电桥平衡条件
j1
Z1Z 3 Z 2 Z 4
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三、带感应耦合臂的电桥
变压器电桥
电流比较仪式电桥耦合
带感应耦合臂的电桥与一般电桥比较，具有较高 的精确度、灵敏度以及性能稳定等优点
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四、电桥应用——电阻应变仪
•电阻应变仪作为应变测量和各种应变式传感器
的中间放大环节，是目前非电量电测技术中应用
R 1± Δ
b
±
输出
R
2
R
1
R2 Δ
a
R4
I1 I2
c
R3
Uy
d
U0
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 R / R0 成完全线性关系。
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（3）全桥接法
电桥各桥臂电阻都发生变化，
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R2 R1 R4 R3 R
输出
1 R1 R2 R3 R4 Uy ( )U 0 4 R1 R2 R3 R4
为了简化设计和提高灵敏度，现采用等臂 电桥(ⅲ)，即有
R1 R
则输出电压
Uy
R1 R2 R3 R4 R0
R U0 4 R0 2R
因 R R0
所以
R Uy U0 4 R0
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R Uy U0 4 R0
可见，电桥的输出 U y与激励电压
R1→△ R1，△ R2 = △ R3 = △ R4 = 0
输出电压
R1 Uy U0 4 R1
Uy
4
R1
U0
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第四章信号的调理与记录
（c）双臂电桥（相对臂） R1和R3都沿弹性元件 轴向粘贴，且R1=R3 。当 弹性元件轴向受力后， △ R3 = △ R1
输出电压
2R1 Uy U0 4 R1
1 Zc r jC
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电阻传感器
Z L r jL 1 Z R R // jc
Zc
r c
ZL
L
ZR
C R
r
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如图电容电桥： 相邻桥臂R2、R3为纯电阻； 另相邻桥臂为电容C1、C4； R1、R4为电容介质损耗的等 效电阻
第四章信号的调理与记录
广泛的测量仪器之一。 •电阻应变仪按可测应变变化频率范围可分为静 态应变仪、动态应变仪、静动态应变仪和超动态 应变仪等。
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第四章信号的调理与记录
静态应变仪用来测量静载荷或载荷变化缓慢时结 构的应变。
• 有手调平衡指零读数的静态应变仪，用于测量点 数少的，如国产YJ-5型和YJB-1A型，这类应变仪 测量精度高，灵敏度高，可分辨1με。 • 对大型结构试验，测量点数从几十到几百，这就 需要有自动调平，巡回切换、自动记录数据的装 置，如国产的YJS-8型和YJS-14型。
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(3) 过载保护 • 使用运放时要注意，不能超过其性能参 数的极限值，如最大输入电压范围等。特 别是在有强干扰源的场合更要注意。
• 按输出方式
不平衡桥式电路 平衡桥式电路
目 录
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b
R1
R2
一、直流电桥
1、电桥形式 2、平衡条件
U y U ab U ad R1 R4 U0 U0 R1 R2 R3 R4 R1R3 R2 R4 U0 R1 R2 R3 R4
j 2
把各阻抗用指数形式表示
Z 2 Z 02e Z1 Z 01e j 4 j 3 Z 4 Z 04e Z 3 Z 03e
代入上式
Z 01Z j 2 4
目
录
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电桥平衡必须满足两个条件
（d）双臂电桥（相邻臂） 传感器弹性元件为圆环，在环的内外表 面各贴一个应变片，如图（d）所示。当环 受拉后，R1增大，R2减小，若R1= R2，则 △ R2 = -△ R1,输出电压
2R1 Uy U0 4 R1
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(e)全桥 弹性元件上贴有4个应变片， R1和R3沿 轴向粘贴， R2和R4沿周向粘贴，且R1= R2= R3= R4 ， R1、 R3和 R2、 R4 各接在 相对桥臂上。当弹性元件受力后，应变 片电阻的变化是△ R1= △ R3和△ R2 = △ R4，并有△ R2 = -μ △ R1， △ R4 = μ △ R3 2(1 ) R1 输出电压 Uy U0 4 R1
R U0 R0
灵敏度 S
Uy R / R
U0
上
目
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4、应变片的电桥接法：
第四章信号的调理与记录
几种弹性元件不同贴片示意图 （a）单臂电桥 （b）双臂电桥（相邻臂） R1应变片为工作应变片，沿弹性元件 轴向粘贴，R2应变片为补偿应变片， 沿弹性元件周向粘贴，且R1=R2 分布 于相邻桥臂上。当弹性元件轴向受力 后， △ R2 = -μ △ R1(μ是泊松系数) 输出电压 (1 ) R1
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第四章信号的调理与记录
动态应变仪是用来测量频率一般为0~2kHz范围的应变， 如国产的Y6D-2型、Y6D-3A型、Y8DB-5型和YD-15型等。 这类应变仪性能稳定，抗干扰能力强，可测应变变化频率 宽。 静动态应变仪以测静态应变为主，也可测低频动态应变， 如国产的YJD-1型和YJD-14型均属此类。其后都配有数字 电压表和数字打印机，可进行多点自动切换测量应变，并 用以显示和打印测量结果。 超动态应变仪用于冲击、爆炸引起的频率高达10kHz以上 的瞬态过程应变测量，国产Y6C-9型属此类。它的测量电 桥是直流电桥，放大器采用差分放大器或调制型直流放大 器，其工作频率可达200kHz。
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下图是YD-15型动态应变仪的工作原理方案图
该应变仪是交流电桥载波放大式应变仪，它的组成包括电桥、振荡 器、交流放大器、相敏检波器，滤波器和稳压电源等。
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4.2
信号的放大
一、信号放大电路
对信号的放大有很多种电路可以实现，
如图电感电桥： 相邻桥臂R2、R3为纯电阻； 另相邻桥臂为电感L1、L4；
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电感电桥平衡条件
( R1 jL1) R3 ( R4 jL4 ) R2
R1R3 R2 R4
R3L1 R2 L4
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电阻交流电桥 的分布电容
具有电阻电容平衡 的交流电阻电桥
学习要求：
1. 掌握电桥的分类、工作原理、输出特性及实际应用。 2. 熟悉常用运算放大器的原理、特点。 重点：电桥的工作原理、输出特性。 难点：电桥、运算放大器在实际测量电路中的应用。
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4.1 电 桥
电桥——是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压
或电流输出的一种测量电路。 分类： • 按激励电压的性质 直流电桥 交流电桥
但工程测试中所遇到的信号，多为100kHz
以下的低频信号，在大多数的情况下，都 可以用放大器集成芯片来设计放大电路。
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二、应用运放IC应注意的事项
(1) 调零消除失调误差 • “调零”技术是使用运放时必须掌握的。 • 调零的原理是，在运放的输入端外加一个 补偿电压，以抵消运放本身的失调电压， 达到调零的目的。 • 有些运放已经引出调零端，只需要按照器 件的规定，接入调零电路进行调零即可。
（f）全桥 弹性元件为圆环，在环的内 外表面贴有4个应变片。当环 受拉后，R1、 R3增大，R2 、 R4减小，若R1= R2 = R3 = R4 ， 则△ R1 = -△ R2= -△ R4= △ R3 4R1 U0 输出电压 U y 4 R1
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1 R R R R U y ( 1 2 3 4 )U 0 4 R1 R2 R3 R4
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第四章 信号的调理与记录
本章教学要求： • 1、掌握各种典型信号电路的工作原理、特性及
实际应用。 • 2、熟悉调幅、解调技术在测量电路中的应用。 • 3、熟悉调频、解调技术在测量电路中的应用。
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第四章信号的调理与记录
本课学习内容：
• 4.1 电桥 • 4.2信号的放大
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(2) 相位补偿消除高频自激
•
• • •
由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件， 应用时一般接成闭环负反馈电路。 当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可 能使负反馈变成正反馈而引起自激。进行相位补 偿可以消除高频自激。 相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级， 利用一小电容C（几十～几百微微法）构成电压并 联负反馈电路。 有些运放已经在内部进行了补偿，如μ A741。有 些运放引出了补偿端，只需按照器件手册规定， 外接补偿电路即可，如国产5G24运算放大器。
上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺
点是当电源电压不稳定，或环境温度变化时，
会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。 因此，在某些情况下采用平衡电桥。
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5、平衡电桥
设被测量等于零时，电桥处于平 衡状态，此时指示仪表G及可调电位 器H指零。
第四章信号的调理与记录
当某一桥臂随被测量变化时，电 桥失去平衡，调节电位器H，改变电 阻R5触点位置，可使电桥重新平衡， 电表G指针回零。