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電橋電路
橋路形式
圖1 *常用的電阻電橋
如圖1所示為*常用的電阻電橋,有四個(gè)電阻組成橋臂,一個(gè)對(duì)角接電源,另一個(gè)作為輸出。
電橋各臂的電阻分別為R1、R2、R3、R4,U為電橋的直流電源電壓。當(dāng)四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時(shí),稱為等臂電橋;當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R'≠R時(shí),稱為輸出對(duì)稱電橋;
當(dāng)R1=R4=R,R2= R3=R'≠R時(shí),稱為電源對(duì)稱電橋。
折疊編輯本段工作方式
單臂工作:電橋中只有一個(gè)臂接入被測量,其它三個(gè)臂采用固定電阻;雙臂工作:如果電橋兩個(gè)臂接入被測量,另兩個(gè)為固定電阻就稱為雙臂工作電橋,又稱為半橋形式;全橋方式:如果四個(gè)橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。
折疊編輯本段輸出方式
電橋的輸出方式有電流型和電壓型兩種,主要根據(jù)負(fù)載情況而定。
1)電流輸出型
當(dāng)電橋的輸出信號(hào)較大,輸出端又接入電阻值較小的負(fù)載如檢流計(jì)或光線示波器進(jìn)行測量時(shí),電橋?qū)⒁噪娏餍问捷敵?,?fù)載電阻為Rg可以得
所以電橋輸出端的開路電壓UAB為
應(yīng)用有源-----端口網(wǎng)絡(luò)定理,電流輸出電橋可以簡化成電路。E'相當(dāng)于電橋輸出端開路電壓Uab,R'為網(wǎng)絡(luò)的入端電阻
可以知道。流過負(fù)載Rg的電流為 (1-4-3)
當(dāng)Ig =0時(shí),電橋平衡。故電橋平衡條件為
R1R3=R2R4或
當(dāng)電橋負(fù)載電阻Rg等于電橋輸出電阻時(shí),即阻抗匹配時(shí),有
這時(shí)電橋輸出功率*大,電橋輸出電流為
(1-4-4)
輸出電壓為
(1-4-5)
當(dāng)橋臂R1為與被測量有關(guān)的可變電阻,且有電阻增量ΔR時(shí),略去分母中的ΔR項(xiàng)則對(duì)于輸出對(duì)稱電橋, R1=R2=R,R3=R4=R
對(duì)于電源對(duì)稱電橋,R1=R4=R,R2=R3=R'≠R
對(duì)于等臂電橋,R1=R2=R3=R4=R
由以上結(jié)果可以看出,三種形式的電橋,當(dāng)ΔR<<R時(shí),其輸出電流都與應(yīng)變片的電阻變化率即應(yīng)變成正比,它們之間呈線性關(guān)系。
2) 電壓輸出型
當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí),由于放大器的輸入阻抗很高,所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大,這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓,其表達(dá)式為 (1-4-6)
設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài),即R1為應(yīng)變片,其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1感受被測量產(chǎn)生電阻增量ΔR1時(shí),由初始平衡條件R1R3=R2R4得 ,代入式(1-4-6),則電橋由于ΔR1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為
(1-4-7)
對(duì)于輸出對(duì)稱電橋,此時(shí)R1=R2=R,R3=R4=R?/SUP>,當(dāng)R1臂的電阻產(chǎn)生變化ΔR1=ΔR,根據(jù)(1-4-7)可得到輸出電壓為
(1-4-8)
對(duì)于電源對(duì)稱電橋,R1=R4=R,R2=R3=R'≠R。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量ΔR1=ΔR時(shí),由式(1-4-7)得
(1-4-9)
對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R ,當(dāng)R1的電阻增量ΔR1=ΔR時(shí),由式(1-4-7)可得輸出電壓為
(1-4-10)
由上面三種結(jié)果可以看出,當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí),電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)ΔR《R時(shí),電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下,等臂電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大,即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)稱電橋。
在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步提高靈敏度,常采用等臂電橋,四個(gè)被測信號(hào)接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式。
可見R1=R+ΔR,R2=R-ΔR,R3=R+δR,R4=R-ΔR ,將上述條件代入式(1-4-6)得
由式看出,由于充分利用了雙差動(dòng)作用,它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的4倍,所以大大提高了測量的靈敏度。
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