第五章测试技术

传感器与测试技术
ຫໍສະໝຸດ Baidu
前序 1、被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点： 信号比较微弱； 为非电压信号； 携带噪声信号等。 2、因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。 3、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节： 电桥； 调制与解调； 滤波； 放大。
第5章 信号调理电路
5.1 • 测量电桥 5.2 • 调制与解调 5.3 • 滤波器
5.1 测量电桥
电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化转换为电压或电流输出的 一种测量电路，其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器放大。
5.1.1 直流电桥
1．电桥的工作原理
右图是直流电桥的基本形式。 R1、R2、R3、R4称为桥臂电阻， e0为供桥直流电压源。
b
R1
a
I1 I2
R4
d
R2 c ey
C4 R4 d e0
R2 c ey
R3
右图是一种常用的电感电桥，相邻 两臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂 为电感L1、L4，R1、R4为电感线圈的 等效电阻。
Uo
R1 R R1 R2 R
R4 R3 R4
Ue
（4－3）
设相邻桥臂的阻值相等，亦即：R1=R2=R0,R3=R4=R0’,
又若R0=R0’,则
Uo
R 4R0 2R
U
e
若ΔR<<R0,则
（4－4）
Uo
R 4R0
Ue
（4－5）
（1）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随 被测量而变化，设该电阻为R1，变化量为ΔR，则由式 （4-1）可得：
R3
e0
uo ue
电路分析：
ue ue
ue ue
u0
ue
ue
讨论： 式4－2为直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻 发生变化，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原 理工作。
直流电桥的连接形式： ◦ 半桥单臂 ◦ 半桥双臂 ◦ 全桥
uo
uo
uo
ue
ue
ue
（1）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随 被测量而变化，设该电阻为R1，变化量为ΔR，则由式 （4-1）可得：
（4－3）
Uo
R 4R0
Ue
（4－4）
（4－5）
R U o 4R0 U e
电桥的输出电压与激励电压成正比； 在激励电压一定的条件下，与工作桥 臂的阻值变化量呈单调线性关系。
（2）半桥双臂连接形式：工作时有两个桥臂电阻值随被测 量而变化，即： R1＋ΔR1， R2 ＋ΔR2，则由式（4-1） 可 证 明 ， 当 R1=R2=R0 ， ΔR1 ＝ － ΔR2 ＝ ΔR ， R3=R4=R0 ，则电桥输出
R3 R
R4 R
U
e
和差特性内容：
➢相邻两桥臂电阻同向变化，产生的输出电压的变化将相 互抵消；
➢相邻两桥臂电阻反向变化，产生的输出电压的变化将相 互叠加；
和差特性应用实例：
◦ 悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上， 下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的 相邻两桥臂。
◦ 柱形梁作敏感元件测力：四个纵向应变片俩俩串联，接 入相对桥臂;横向应变片主要起温度补偿作用。
b
R 1 ±∆R
1
±
∆R 2 R2
∆R 4 R4
M
R1
R3
R2
R4
（a）应变片粘贴位置
a
c ey
± R 3 ±∆R
3
d e0
（b）电桥连接方式
5.1.2 交流电桥
交流电桥电路如图所示，其激励电压e0采用交流方式，电桥的四个臂 可以是纯电阻，也可以是包含有电容、电感的交流阻抗。
交流电桥平衡必须满足两个条件： 相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并 且它们的阻抗角之和也必须相等，前 者称为交流电桥模的平衡条件，后者 称为相位平衡条件。
b Z1
i1 a
i2 Z4
d
Z2 c ey
Z3
e0
右图是一种常用电容电桥，相邻两 臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为 电容C1、C4。R1、R4为电容介质损耗 的等效电阻。c
欲使电桥达到平衡，必须同时满足
两个条件，即电阻平衡条件
和电容平衡条件
R3 R2 C1 C4
R1R3 R2 R4
b R1 C1 a
定义电桥的灵敏度为
S Uo R R
则有：
单臂电桥灵敏度Ue ； 4
半桥灵敏度Ue ； 2
全桥灵敏
度U
。
e
结论：电桥接法不同，灵敏度不同，
全桥接法可以获得最大灵敏度。
例题__电桥
直流电桥的和差特性：
如图4－2c，当R1 R2 R3 R4 R， 且R1 R1、R2 R2、R3 R3、R4 R4时，可由4－1得：
b
R1
F
R 1 ±∆R
1
±∆R 2 R2
（a）
R2 （b）
a
c ey
R4
R3
d
e0
例5-2 在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度。测量如左图所示
的纯弯试件时，应变片R1和R2分别贴于试件的上下两表面，并按右图所示
电桥接线。 b
R 1 ±∆R
1
±∆R 2 R2
R1
M
R2
a
c ey
R4
R3
d
e0
例5-3 试件受力情况如图a所示，应变片R1和R3贴在上表面，R2和 R4贴在对称于中性层的下表面，并按图b组成全等臂电桥。
Uo
R 2R0
Ue
（4－6）
（3）全桥连接法：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即：
R1 R1, R2 R2 , R3 R3, R4 R4
当R1=R2=R3=R4=R0,且ΔR1=－ΔR2=ΔR3=－ΔR4=ΔR， 输出为：
R U o R0 U e
（4－7）
结论：式（4－5）、（4－6）、（4－7）表明，电桥 的输出电压与激励电压成正比，但比例系数不同。
Uo
R1
R1 R1 R1 R2
R2
R3
R4 R4 R3 R4
R4
U
e
1 2
R1 R
R4 R
U
e
Uo
R3
R3 R3 R3 R4
R4
R1
R2 R2 R1 R2
R2
U
e
1 2
R3 R
R2 R
U
e
推出：U o
1 4
R1 R
－ R2 R
R3 R
R4 R
U
e
Uo
1 R1 － R2 4 R R
3．电桥的加减特性与应用
相邻桥臂电阻的阻值变化方向相反，相对桥臂电阻的阻值变化方向 相同时，电桥输出反映相加的结果；而相邻桥臂电阻的阻值变化方向相 同，相对桥臂电阻的阻值变化方向相反时，电桥输出反映相减的结果， 这就是电桥的加减特性。
例5-1 桥路温度补偿。如左图a所示试件，欲测量作用在其上的力F时， 采用两片敏感元件材料、原始电阻值和灵敏系数都相同的应变片R1和R2。 R1贴在试件的测点上，R2贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上，如左 图b所示。R1和R2处于相同温度场中，并按右图接入电桥的相邻臂上。