&amp#167;3-3～4惠斯登電橋

1、2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,1,§3電阻式傳感器的信號調(diào)節(jié),§3-3惠斯登電橋：平衡測量§3-4惠斯登電橋：偏轉(zhuǎn)測量§3-4-1靈敏度和線性§3-4-2模擬線性化§3-4-3校準(zhǔn)和平衡§3-4-4差值測量、平均值測量和補償§3-4-5電源§3-4-6惠斯登電橋的檢測方法,,,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,2,§

2、3-3惠斯登電橋：平衡測量,惠斯登電橋采用的比較測量法，通過調(diào)整電阻R4,使電流檢測器示值為0，達到電橋達到平衡狀態(tài)時,下式成立： R3=R4 (R2/R1) 與電源電壓，電流無關(guān) 與電流檢測器類型和阻抗無關(guān) 電源和電流檢測器可互換,（a)惠斯登電橋采用的比較測量法,（b)消除接觸電阻對平衡產(chǎn)生的影響,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,3,,遠距離使用傳感器采用3引線方式消除導(dǎo)線的影響，如左圖所示

3、。采用一組3引線測量多個傳感器，如左圖所示。,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,4,用示零法實現(xiàn)的一種自動惠斯登電橋平衡系統(tǒng) 采用輸出兩個互補電流源的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)。,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,5,§3-4惠斯登電橋：偏轉(zhuǎn)測量,偏轉(zhuǎn)測量： 不使電橋恢復(fù)平衡，而是測量兩個分壓器之間的電壓差或電流檢測器的電流值。§3-4-1靈敏度和線性 在圖（a)中，若電

4、橋在x=0時平衡，定義參數(shù)k: k=R1/R4= R2/R0則兩分支的電壓差為： vo=Vr(R3/(R2+R3) -R4/(R1+R4)) 只有當(dāng)x<<k+1時，輸出電壓才與R3成正比。 對于x＝0，其靈敏度為,,如果電橋用恒定電流源供電，則輸出電壓,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,6,對金屬應(yīng)變片而言，x很少超過0.02。為改善靈敏

5、度，通常k=1。由于x很小，一般忽略電壓輸出公式分母中的x。 由上述條件，可得,,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,7,§ 3-4-2電阻式傳感器電橋的模擬線性化,運放的輸出vo使兩個檢測點的電壓相等，使輸出vo與x呈線性關(guān)系。 vo=-Vr x / 2,運放的輸出使兩個檢測電的電壓相等，使輸出vo與x呈線性關(guān)系。,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,8,§ 3-4-3傳感器電橋的校準(zhǔn)

6、和平衡,用并聯(lián)電阻Rc來確定S。開關(guān)斷開時，對于x=0.調(diào)節(jié)Ra，使vo=0。開關(guān)閉合后，輸出偏轉(zhuǎn)等于R3改變x所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)： RoRc/(Ro+Rc)=Ro(1+x) x=-Ro/(Ro+Rc)于是，x=0時的靈敏度為 So= vo/xRo=-vo/Ro(1+Rc/Ro)調(diào)節(jié)平衡 電阻器存在容差，電橋往往不能滿足平衡條件，增加Ra、Rb加以調(diào)節(jié)。,2024/3/31,傳感技術(shù)及

7、應(yīng)用,9,§ 3-4-4傳感器電橋的差值測量、平均值測量和補償,利用連接在電橋上的多路傳感器，可以實現(xiàn)差值測量、平均值測量并可實現(xiàn)干擾補償。(a)差值與多路傳感器測量 左圖的電路的不同支路上各加入兩個傳感器對差值進行測量。輸出電壓為,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,10,兩個如圖放置在構(gòu)件上的兩個應(yīng)變片將產(chǎn)生以下輸出,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,11,受到大小相同、負號相反的應(yīng)變，如右圖所

8、示連接的兩個應(yīng)變將產(chǎn)生下列電壓輸出：,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,12,右圖(a)所示電橋包含了粘貼在圖(b)所示懸臂梁每一側(cè)上的兩個相同雙應(yīng)變組合片。輸出電壓為： 輸出為線性、且有比單一應(yīng)變片高4倍的靈敏度。 上述不同的測量連接分別稱為：,四分之一橋（一個傳感器）半橋（二個傳感器）全橋（四個傳感器）,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,13,2024/3/31,傳感技

9、術(shù)及應(yīng)用,14,（b)測量平均值 惠斯登電橋可以通過連接若干個傳感器來測量平均值。如右圖所示。電橋輸出電壓為：,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,15,(c)溫度補償 應(yīng)變片雖然對溫度敏感，但電橋能將敏感程度減小到最小程度。 右圖所示，在同一電橋支路中作為工作應(yīng)變片的平衡應(yīng)變片能補償由溫度變化引起的相對電阻變化y。平衡應(yīng)變片未粘貼到受應(yīng)力作用的材料上，所以它經(jīng)歷相同的溫度變

10、化，但不會與應(yīng)變相關(guān)的變化x。 半橋和全橋連接有自身熱補償。,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,16,§ 3-4-5. 惠斯登電橋的電源,電源穩(wěn)定性的要求 供給橋路的電源電壓應(yīng)該是非常穩(wěn)定的。輸出電壓受到電源電壓變化的直接影響。 dVr/Vr=dvo/vo 普通的穩(wěn)壓電源溫漂太大(0.1%/℃)不能使用。

11、 避免電源影響的措施：比值測量電路基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比值測量電路不要求電橋電源有高穩(wěn)定性,基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比值測量電路不要求電橋電源有高穩(wěn)定性,2024/3/31,傳感技術(shù)及應(yīng)用,17,集成電路電壓基準(zhǔn) 即使用穩(wěn)定度很差的電壓源供電，集成電路電壓基準(zhǔn)也能使激勵電壓維持恒定不變。如右圖所示。 遠距離電橋供電 遠距離電橋供電不能忽視引線電阻的影響，電橋兩端的電壓和電源的輸出電壓是有差異的。右圖所示電路可以將所需電壓加