傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第三章電橋

1、第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋 電橋是把電阻、電感和電容等元件參數(shù)轉(zhuǎn)換成電橋是把電阻、電感和電容等元件參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流的一種測(cè)量電路。這種測(cè)量電路簡(jiǎn)單直電壓或電流的一種測(cè)量電路。這種測(cè)量電路簡(jiǎn)單直接，而且精度和靈敏度都較高，在檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)接，而且精度和靈敏度都較高，在檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。用較多。第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋 R1、R2、R3、R4組成電組成電橋四臂；橋四臂； 輸入電源加在電橋輸入電源加在電橋CD端；端； 輸出信號(hào)取自電橋輸出信號(hào)取自電橋AB端；端； 輸入端加入直流電源輸入端加入直流電源ES， 則稱為直流電橋。則稱為直流電橋。一、電橋工作原理一、電橋工作原理

2、R2R4R1R3ES圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖RgCDBIgA1.1.直流電橋直流電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋若輸出端與內(nèi)阻為若輸出端與內(nèi)阻為Rg的檢流計(jì)的檢流計(jì)相連。根據(jù)戴維南定理，相連。根據(jù)戴維南定理，AB端的等效電阻為：端的等效電阻為：一、電橋工作原理一、電橋工作原理R2R4R1R3ES圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖RgCDBIgA一個(gè)含獨(dú)立電源、線性電阻和一個(gè)含獨(dú)立電源、線性電阻和受控源的一端口，對(duì)外電路來受控源的一端口，對(duì)外電路來說，可以用一個(gè)電壓源和電阻說，可以用一個(gè)電壓源和電阻的串聯(lián)組合等效置換，此電壓的串聯(lián)組合等效置換，此電壓源的電壓等于一端

3、口的開路電源的電壓等于一端口的開路電壓，電阻等于一端口的全部獨(dú)壓，電阻等于一端口的全部獨(dú)立電源置立電源置0 0后的輸入電阻。后的輸入電阻。1.1.直流電橋直流電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋若輸出端與內(nèi)阻為若輸出端與內(nèi)阻為Rg的檢流計(jì)的檢流計(jì)相連。根據(jù)戴維南定理，相連。根據(jù)戴維南定理，AB端的等效電阻為：端的等效電阻為：一、電橋工作原理一、電橋工作原理R2R4R1R3ES圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖RgCDBIgA1.1.直流電橋直流電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋若輸出端與內(nèi)阻為若輸出端與內(nèi)阻為Rg的檢流計(jì)的檢流計(jì)相連。根據(jù)戴維南定理，相連。根據(jù)戴維南定理，AB端

4、的等效電阻為：端的等效電阻為：一、電橋工作原理一、電橋工作原理R2R4R1R3ES圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖RgCDBIgA43432121RRRRRRRRRoABAB端的開路電壓為：端的開路電壓為：socERRRRRRRRU432132411.1.直流電橋直流電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋一、電橋工作原理一、電橋工作原理則電橋輸出端電壓為：則電橋輸出端電壓為：1214343214321324143212143432132414343212143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRR

5、RRUUgsgsgggsggooco1.1.直流電橋直流電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋當(dāng)當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，時(shí)，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的若電橋的負(fù)載電阻負(fù)載電阻Rg為無窮大，則為無窮大，則C、D兩點(diǎn)可視為開兩點(diǎn)可視為開路，上式可以化簡(jiǎn)為路，上式可以化簡(jiǎn)為soERRRRRRRRU4321324112143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREUgso一、電橋工作原理一、電橋工作原理則電橋輸出端電壓為：則電橋輸出端電壓為：1.1.直流電橋直流電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋soERRRRRRRRU432132

6、41一、電橋工作原理一、電橋工作原理則電橋輸出端電壓為：則電橋輸出端電壓為：R2R4R1R3ES圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖RgCDBIgA平衡條件平衡條件3241RRRR或或4321RRRR1.1.直流電橋直流電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋一、電橋工作原理一、電橋工作原理2.2.交流電橋交流電橋采用交流電源供電的電橋稱為采用交流電源供電的電橋稱為交流電橋。在這種情況下橋臂交流電橋。在這種情況下橋臂所接元件可以是電阻、電感或所接元件可以是電阻、電感或電容。電容。Z2Z4Z1Z3圖圖8-3 8-3 交流電橋電路交流電橋電路CDBAoUsU第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋

7、一、電橋工作原理一、電橋工作原理2.2.交流電橋交流電橋如果交流電源是頻率為如果交流電源是頻率為f的正的正弦交流信號(hào)，則各橋臂的復(fù)阻弦交流信號(hào)，則各橋臂的復(fù)阻抗參數(shù)設(shè)為抗參數(shù)設(shè)為Z1、 Z2 、Z3、 Z4。Z2Z4Z1Z3圖圖8-3 8-3 交流電橋電路交流電橋電路CDBAoUsU444333222111ZZZZZZZZ圖中：第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋一、電橋工作原理一、電橋工作原理2.2.交流電橋交流電橋電橋輸出端開路時(shí)，其輸出電橋輸出端開路時(shí)，其輸出電壓電壓 為：為：Z2Z4Z1Z3圖圖8-3 8-3 交流電橋電路交流電橋電路CDBAoUsUoU4321234143212134

8、31343121)(ZZZZZZZZUZZZZZZZZZZUZZZUZZZUUsssso第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋一、電橋工作原理一、電橋工作原理2.2.交流電橋交流電橋Z2Z4Z1Z3圖圖8-3 8-3 交流電橋電路交流電橋電路CDBAoUsU43212341ZZZZZZZZUUso當(dāng)2341ZZZZ時(shí)電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為0 0，電橋處于，電橋處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋一、電橋工作原理一、電橋工作原理2.2.交流電橋交流電橋Z2Z4Z1Z3圖圖8-3 8-3 交流電橋電路交流電橋電路CDBAoUsU2341ZZZZ平衡條件：平衡條件：)38()

9、28(324132413232414133224411ZZZZZZZZZZZZ交流電橋平衡條件必須同時(shí)滿足以上兩式，橋臂參數(shù)也不能任意交流電橋平衡條件必須同時(shí)滿足以上兩式，橋臂參數(shù)也不能任意設(shè)置。當(dāng)設(shè)置。當(dāng)Z1、 Z2性質(zhì)相同時(shí)，性質(zhì)相同時(shí)， Z3、 Z4性質(zhì)也必須相同性質(zhì)也必須相同第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋一、電橋工作原理一、電橋工作原理在各種測(cè)量場(chǎng)合中，電橋的一個(gè)或多個(gè)橋臂可能是電阻式在各種測(cè)量場(chǎng)合中，電橋的一個(gè)或多個(gè)橋臂可能是電阻式應(yīng)變片，或熱敏電阻式測(cè)量變換元件。當(dāng)電橋進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)變片，或熱敏電阻式測(cè)量變換元件。當(dāng)電橋進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可采用可采用零測(cè)法零測(cè)法或或偏差測(cè)量法偏差測(cè)

10、量法零測(cè)法零測(cè)法 有一個(gè)橋臂電阻可以人為改變。假設(shè)電橋已經(jīng)平衡，當(dāng)橋有一個(gè)橋臂電阻可以人為改變。假設(shè)電橋已經(jīng)平衡，當(dāng)橋臂的某一個(gè)電阻值如臂的某一個(gè)電阻值如R1發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，使檢流計(jì)發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，使檢流計(jì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。若發(fā)生偏轉(zhuǎn)。若R2是一個(gè)可調(diào)電阻，而使電橋重新回到平衡狀態(tài)。是一個(gè)可調(diào)電阻，而使電橋重新回到平衡狀態(tài)。顯然顯然R1的變化數(shù)值與使電橋回到平衡狀態(tài)的的變化數(shù)值與使電橋回到平衡狀態(tài)的R2的變化數(shù)值有直的變化數(shù)值有直接關(guān)系。因此由接關(guān)系。因此由R2的變化值可得到的變化值可得到R1的變化數(shù)值。的變化數(shù)值。第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋一、電橋工作原理一、電橋工作原

11、理在各種測(cè)量場(chǎng)合中，電橋的一個(gè)或多個(gè)橋臂可能是電阻式在各種測(cè)量場(chǎng)合中，電橋的一個(gè)或多個(gè)橋臂可能是電阻式應(yīng)變片，或熱敏電阻式測(cè)量變換元件。當(dāng)電橋進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)變片，或熱敏電阻式測(cè)量變換元件。當(dāng)電橋進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可采用可采用零測(cè)法零測(cè)法或或偏差測(cè)量法偏差測(cè)量法偏差測(cè)量法偏差測(cè)量法 電橋原處于平衡狀態(tài)，若電橋原處于平衡狀態(tài)，若R1變化，則電橋失去平衡，輸出變化，則電橋失去平衡，輸出端電壓將不再為零，從而使檢流計(jì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而顯示某一讀數(shù)，端電壓將不再為零，從而使檢流計(jì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而顯示某一讀數(shù)，這一讀數(shù)反映了電阻這一讀數(shù)反映了電阻R1的變化。的變化。第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋二、電橋的分類與應(yīng)用二、

12、電橋的分類與應(yīng)用第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋二、電橋的分類與應(yīng)用二、電橋的分類與應(yīng)用第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋二、電橋的分類與應(yīng)用二、電橋的分類與應(yīng)用第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋二、電橋的分類與應(yīng)用二、電橋的分類與應(yīng)用1.1.平衡狀態(tài)的應(yīng)用平衡狀態(tài)的應(yīng)用 （基于零測(cè)法）（基于零測(cè)法）圖圖8-4 8-4 單臂電橋單臂電橋RxRx被測(cè)電阻；被測(cè)電阻；R2R2精密可調(diào)電阻精密可調(diào)電阻243324RRRRRRRRxx或式中：R2比較臂； R3、R4比例臂電阻， 改變R3、R4的比值，可以改變Rx的量程第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋由于電橋處于平衡狀態(tài)，使得電源由于電橋處

13、于平衡狀態(tài)，使得電源電壓電壓UsUs波動(dòng)及指示儀表的誤差（除波動(dòng)及指示儀表的誤差（除零位誤差外）等均不影響測(cè)量結(jié)零位誤差外）等均不影響測(cè)量結(jié)果，可以獲得較高的測(cè)量精度。但果，可以獲得較高的測(cè)量精度。但這種工作狀態(tài)需要靠調(diào)節(jié)比較臂電這種工作狀態(tài)需要靠調(diào)節(jié)比較臂電阻阻R2使電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，才能得使電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，才能得出測(cè)量結(jié)果，因此測(cè)量速度較慢。出測(cè)量結(jié)果，因此測(cè)量速度較慢。為了避免人工調(diào)整電阻為了避免人工調(diào)整電阻R2，可采，可采用儀表的伺服系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，若用儀表的伺服系統(tǒng)，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，若RxRx變化很快，則無法通變化很快，則無法通過調(diào)整電橋平衡測(cè)量被測(cè)量，故這種過調(diào)整電橋平衡測(cè)量被

14、測(cè)量，故這種工作狀態(tài)一般適合于測(cè)量工作狀態(tài)一般適合于測(cè)量靜態(tài)值。靜態(tài)值。二、電橋的分類與應(yīng)用二、電橋的分類與應(yīng)用1.1.平衡狀態(tài)的應(yīng)用平衡狀態(tài)的應(yīng)用 （基于零測(cè)法）（基于零測(cè)法）圖圖8-4 8-4 單臂電橋單臂電橋第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋二、電橋的分類與應(yīng)用二、電橋的分類與應(yīng)用2.2.不平衡狀態(tài)的應(yīng)用不平衡狀態(tài)的應(yīng)用 （基于偏差測(cè)量法）（基于偏差測(cè)量法）R2R4R1R3ES圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖RgCDBIgAR1仍為被測(cè)電阻仍為被測(cè)電阻Rx，在常態(tài)下，在常態(tài)下調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R2使電橋平衡，則輸出電使電橋平衡，則輸出電壓壓Uo為零，輸出電流為零，輸出電流Io也為零。也為

15、零。當(dāng)當(dāng)Rx=R1+R1時(shí)，電橋失去平時(shí)，電橋失去平衡。輸出電壓衡。輸出電壓Uo、輸出電流、輸出電流Io隨隨R1的變化而變化，故可用的變化而變化，故可用輸出電壓或輸出電流的大小反輸出電壓或輸出電流的大小反映被測(cè)量的變化情況。映被測(cè)量的變化情況。采用這種不平衡狀態(tài)，既可以采用這種不平衡狀態(tài)，既可以測(cè)量靜態(tài)值又可以測(cè)量動(dòng)態(tài)值測(cè)量靜態(tài)值又可以測(cè)量動(dòng)態(tài)值，其測(cè)量精度受檢流計(jì)的精度及其測(cè)量精度受檢流計(jì)的精度及電源穩(wěn)定性的影響，但能滿足一般實(shí)際測(cè)量的要求電源穩(wěn)定性的影響，但能滿足一般實(shí)際測(cè)量的要求第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)衡量電橋工作特性質(zhì)量的兩項(xiàng)指標(biāo)

16、是電橋的靈敏度及電橋衡量電橋工作特性質(zhì)量的兩項(xiàng)指標(biāo)是電橋的靈敏度及電橋的非線性誤差。的非線性誤差。第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)1. 1. 電橋的靈敏度電橋的靈敏度 電橋的靈敏度是指單位輸入量時(shí)的輸出變化量。對(duì)于不平衡電橋的靈敏度是指單位輸入量時(shí)的輸出變化量。對(duì)于不平衡電橋，輸入量是指橋臂上電阻電橋，輸入量是指橋臂上電阻R的變化量的變化量R，輸出量是電橋的，輸出量是電橋的輸出電壓的變化量輸出電壓的變化量U, 所以電橋的靈敏度就是輸出電壓的相對(duì)所以電橋的靈敏度就是輸出電壓的相對(duì)變化量與電阻的相對(duì)變化量之比，即：變化量與電阻的相對(duì)變化量之比，即：R

17、RUUKsus第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)2. 2. 電橋的非線性誤差電橋的非線性誤差 電橋的輸出電壓電橋的輸出電壓Uo與電阻變化與電阻變化R1之間不是線性關(guān)系，為之間不是線性關(guān)系，為了便于測(cè)量裝置的實(shí)現(xiàn)，常將非線性方程線性化，若線性化了便于測(cè)量裝置的實(shí)現(xiàn)，常將非線性方程線性化，若線性化后的輸出電壓為后的輸出電壓為Uos，則非線性誤差定義為：，則非線性誤差定義為：ooosfUUU第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)（1）單臂電橋）單臂電橋R2R4R1R3US圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖C

18、DBAUo當(dāng)RX由R1變化到R1+R1時(shí)4312431112114321114433211111111RRRRURRRRRRURRURRRRRRRURRRURRRRRUssssso第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)（1）單臂電橋）單臂電橋R2R4R1R3US圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖CDBAUo當(dāng)RX由R1變化到R1+R1時(shí)431211RRRRUUso）（11RR輸出特性呈非線性關(guān)系輸出特性呈非線性關(guān)系當(dāng)當(dāng)R1=R2，R3=R4時(shí)時(shí)半等臂電橋、第一對(duì)稱電橋半等臂電橋、第一對(duì)稱電橋ssoUUU)21 (4)2(2第三章 力、扭矩和壓力傳

19、感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)（1）單臂電橋）單臂電橋R2R4R1R3US圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖CDBAUo當(dāng)當(dāng)R1=R2，R3=R4時(shí)時(shí)ssoUUU)21 (4)2(2忽略分母上的忽略分母上的/2,/2,則可得到線性則可得到線性化方程：化方程：sosUU41則非線性誤差則非線性誤差21ooosfUUU輸入變化越大，非線性誤差越大輸入變化越大，非線性誤差越大第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)（1）單臂電橋）單臂電橋R2R4R1R3US圖圖8-2 8-2 電橋原理圖電橋原理圖CDBAUo當(dāng)當(dāng)R1=R2，R3

20、=R4時(shí)時(shí)ssoUUU)21 (4)2(2忽略分母上的忽略分母上的/2,/2,則可得到線性則可得到線性化方程：化方程：sosUU41輸出電壓靈敏度輸出電壓靈敏度41sosusUUK第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)（2）差動(dòng)電橋）差動(dòng)電橋R2R4R1R3US差動(dòng)電橋原理圖差動(dòng)電橋原理圖CDBAUo當(dāng)當(dāng)R1=R2電橋處于平衡狀態(tài)，電橋處于平衡狀態(tài)，若若R1增加增加Rx，則，則R2同時(shí)減少同時(shí)減少Rx，則電橋輸出電壓為：，則電橋輸出電壓為：ssxsxsxssxoUURRURRRURRRRRRRURRRURRRRU212121432143433211第三章 力、扭矩和壓力傳感器電橋電橋三、電橋的工作特性指標(biāo)三、電橋的工作特性指標(biāo)（2）差動(dòng)電橋）差動(dòng)電橋