传感器与检测技术课件第三章电桥

1、第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥 电桥是把电阻、电感和电容等元件参数转换成电桥是把电阻、电感和电容等元件参数转换成电压或电流的一种测量电路。这种测量电路简单直电压或电流的一种测量电路。这种测量电路简单直接，而且精度和灵敏度都较高，在检测系统中的应接，而且精度和灵敏度都较高，在检测系统中的应用较多。用较多。第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥 R1、R2、R3、R4组成电组成电桥四臂；桥四臂； 输入电源加在电桥输入电源加在电桥CD端；端； 输出信号取自电桥输出信号取自电桥AB端；端； 输入端加入直流电源输入端加入直流电源ES， 则称为直流电桥。则称为直流电桥。一、电桥工作原理一、电桥工作原理

2、R2R4R1R3ES图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图RgCDBIgA1.1.直流电桥直流电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥若输出端与内阻为若输出端与内阻为Rg的检流计的检流计相连。根据戴维南定理，相连。根据戴维南定理，AB端的等效电阻为：端的等效电阻为：一、电桥工作原理一、电桥工作原理R2R4R1R3ES图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图RgCDBIgA一个含独立电源、线性电阻和一个含独立电源、线性电阻和受控源的一端口，对外电路来受控源的一端口，对外电路来说，可以用一个电压源和电阻说，可以用一个电压源和电阻的串联组合等效置换，此电压的串联组合等效置换，此电压源的电压等于一端

3、口的开路电源的电压等于一端口的开路电压，电阻等于一端口的全部独压，电阻等于一端口的全部独立电源置立电源置0 0后的输入电阻。后的输入电阻。1.1.直流电桥直流电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥若输出端与内阻为若输出端与内阻为Rg的检流计的检流计相连。根据戴维南定理，相连。根据戴维南定理，AB端的等效电阻为：端的等效电阻为：一、电桥工作原理一、电桥工作原理R2R4R1R3ES图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图RgCDBIgA1.1.直流电桥直流电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥若输出端与内阻为若输出端与内阻为Rg的检流计的检流计相连。根据戴维南定理，相连。根据戴维南定理，AB端

4、的等效电阻为：端的等效电阻为：一、电桥工作原理一、电桥工作原理R2R4R1R3ES图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图RgCDBIgA43432121RRRRRRRRRoABAB端的开路电压为：端的开路电压为：socERRRRRRRRU432132411.1.直流电桥直流电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥一、电桥工作原理一、电桥工作原理则电桥输出端电压为：则电桥输出端电压为：1214343214321324143212143432132414343212143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRR

5、RRUUgsgsgggsggooco1.1.直流电桥直流电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥当当R1R4=R2R3时，时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的若电桥的负载电阻负载电阻Rg为无穷大，则为无穷大，则C、D两点可视为开两点可视为开路，上式可以化简为路，上式可以化简为soERRRRRRRRU4321324112143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREUgso一、电桥工作原理一、电桥工作原理则电桥输出端电压为：则电桥输出端电压为：1.1.直流电桥直流电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥soERRRRRRRRU432132

6、41一、电桥工作原理一、电桥工作原理则电桥输出端电压为：则电桥输出端电压为：R2R4R1R3ES图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图RgCDBIgA平衡条件平衡条件3241RRRR或或4321RRRR1.1.直流电桥直流电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥一、电桥工作原理一、电桥工作原理2.2.交流电桥交流电桥采用交流电源供电的电桥称为采用交流电源供电的电桥称为交流电桥。在这种情况下桥臂交流电桥。在这种情况下桥臂所接元件可以是电阻、电感或所接元件可以是电阻、电感或电容。电容。Z2Z4Z1Z3图图8-3 8-3 交流电桥电路交流电桥电路CDBAoUsU第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥

7、一、电桥工作原理一、电桥工作原理2.2.交流电桥交流电桥如果交流电源是频率为如果交流电源是频率为f的正的正弦交流信号，则各桥臂的复阻弦交流信号，则各桥臂的复阻抗参数设为抗参数设为Z1、 Z2 、Z3、 Z4。Z2Z4Z1Z3图图8-3 8-3 交流电桥电路交流电桥电路CDBAoUsU444333222111ZZZZZZZZ图中：第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥一、电桥工作原理一、电桥工作原理2.2.交流电桥交流电桥电桥输出端开路时，其输出电桥输出端开路时，其输出电压电压 为：为：Z2Z4Z1Z3图图8-3 8-3 交流电桥电路交流电桥电路CDBAoUsUoU4321234143212134

8、31343121)(ZZZZZZZZUZZZZZZZZZZUZZZUZZZUUsssso第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥一、电桥工作原理一、电桥工作原理2.2.交流电桥交流电桥Z2Z4Z1Z3图图8-3 8-3 交流电桥电路交流电桥电路CDBAoUsU43212341ZZZZZZZZUUso当2341ZZZZ时电桥输出电压为电桥输出电压为0 0，电桥处于，电桥处于平衡状态平衡状态第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥一、电桥工作原理一、电桥工作原理2.2.交流电桥交流电桥Z2Z4Z1Z3图图8-3 8-3 交流电桥电路交流电桥电路CDBAoUsU2341ZZZZ平衡条件：平衡条件：)38()

9、28(324132413232414133224411ZZZZZZZZZZZZ交流电桥平衡条件必须同时满足以上两式，桥臂参数也不能任意交流电桥平衡条件必须同时满足以上两式，桥臂参数也不能任意设置。当设置。当Z1、 Z2性质相同时，性质相同时， Z3、 Z4性质也必须相同性质也必须相同第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥一、电桥工作原理一、电桥工作原理在各种测量场合中，电桥的一个或多个桥臂可能是电阻式在各种测量场合中，电桥的一个或多个桥臂可能是电阻式应变片，或热敏电阻式测量变换元件。当电桥进行测量时，应变片，或热敏电阻式测量变换元件。当电桥进行测量时，可采用可采用零测法零测法或或偏差测量法偏差测

10、量法零测法零测法 有一个桥臂电阻可以人为改变。假设电桥已经平衡，当桥有一个桥臂电阻可以人为改变。假设电桥已经平衡，当桥臂的某一个电阻值如臂的某一个电阻值如R1发生变化时，电桥失去平衡，使检流计发生变化时，电桥失去平衡，使检流计发生偏转。若发生偏转。若R2是一个可调电阻，而使电桥重新回到平衡状态。是一个可调电阻，而使电桥重新回到平衡状态。显然显然R1的变化数值与使电桥回到平衡状态的的变化数值与使电桥回到平衡状态的R2的变化数值有直的变化数值有直接关系。因此由接关系。因此由R2的变化值可得到的变化值可得到R1的变化数值。的变化数值。第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥一、电桥工作原理一、电桥工作原

11、理在各种测量场合中，电桥的一个或多个桥臂可能是电阻式在各种测量场合中，电桥的一个或多个桥臂可能是电阻式应变片，或热敏电阻式测量变换元件。当电桥进行测量时，应变片，或热敏电阻式测量变换元件。当电桥进行测量时，可采用可采用零测法零测法或或偏差测量法偏差测量法偏差测量法偏差测量法 电桥原处于平衡状态，若电桥原处于平衡状态，若R1变化，则电桥失去平衡，输出变化，则电桥失去平衡，输出端电压将不再为零，从而使检流计发生偏转而显示某一读数，端电压将不再为零，从而使检流计发生偏转而显示某一读数，这一读数反映了电阻这一读数反映了电阻R1的变化。的变化。第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥二、电桥的分类与应用二、

12、电桥的分类与应用第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥二、电桥的分类与应用二、电桥的分类与应用第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥二、电桥的分类与应用二、电桥的分类与应用第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥二、电桥的分类与应用二、电桥的分类与应用1.1.平衡状态的应用平衡状态的应用 （基于零测法）（基于零测法）图图8-4 8-4 单臂电桥单臂电桥RxRx被测电阻；被测电阻；R2R2精密可调电阻精密可调电阻243324RRRRRRRRxx或式中：R2比较臂； R3、R4比例臂电阻， 改变R3、R4的比值，可以改变Rx的量程第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥由于电桥处于平衡状态，使得电源由于电桥处

13、于平衡状态，使得电源电压电压UsUs波动及指示仪表的误差（除波动及指示仪表的误差（除零位误差外）等均不影响测量结零位误差外）等均不影响测量结果，可以获得较高的测量精度。但果，可以获得较高的测量精度。但这种工作状态需要靠调节比较臂电这种工作状态需要靠调节比较臂电阻阻R2使电桥达到平衡状态，才能得使电桥达到平衡状态，才能得出测量结果，因此测量速度较慢。出测量结果，因此测量速度较慢。为了避免人工调整电阻为了避免人工调整电阻R2，可采，可采用仪表的伺服系统，自动进行调整，若用仪表的伺服系统，自动进行调整，若RxRx变化很快，则无法通变化很快，则无法通过调整电桥平衡测量被测量，故这种过调整电桥平衡测量被

14、测量，故这种工作状态一般适合于测量工作状态一般适合于测量静态值。静态值。二、电桥的分类与应用二、电桥的分类与应用1.1.平衡状态的应用平衡状态的应用 （基于零测法）（基于零测法）图图8-4 8-4 单臂电桥单臂电桥第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥二、电桥的分类与应用二、电桥的分类与应用2.2.不平衡状态的应用不平衡状态的应用 （基于偏差测量法）（基于偏差测量法）R2R4R1R3ES图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图RgCDBIgAR1仍为被测电阻仍为被测电阻Rx，在常态下，在常态下调节调节R2使电桥平衡，则输出电使电桥平衡，则输出电压压Uo为零，输出电流为零，输出电流Io也为零。也为

15、零。当当Rx=R1+R1时，电桥失去平时，电桥失去平衡。输出电压衡。输出电压Uo、输出电流、输出电流Io随随R1的变化而变化，故可用的变化而变化，故可用输出电压或输出电流的大小反输出电压或输出电流的大小反映被测量的变化情况。映被测量的变化情况。采用这种不平衡状态，既可以采用这种不平衡状态，既可以测量静态值又可以测量动态值测量静态值又可以测量动态值，其测量精度受检流计的精度及其测量精度受检流计的精度及电源稳定性的影响，但能满足一般实际测量的要求电源稳定性的影响，但能满足一般实际测量的要求第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标衡量电桥工作特性质量的两项指标

16、是电桥的灵敏度及电桥衡量电桥工作特性质量的两项指标是电桥的灵敏度及电桥的非线性误差。的非线性误差。第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标1. 1. 电桥的灵敏度电桥的灵敏度 电桥的灵敏度是指单位输入量时的输出变化量。对于不平衡电桥的灵敏度是指单位输入量时的输出变化量。对于不平衡电桥，输入量是指桥臂上电阻电桥，输入量是指桥臂上电阻R的变化量的变化量R，输出量是电桥的，输出量是电桥的输出电压的变化量输出电压的变化量U, 所以电桥的灵敏度就是输出电压的相对所以电桥的灵敏度就是输出电压的相对变化量与电阻的相对变化量之比，即：变化量与电阻的相对变化量之比，即：R

17、RUUKsus第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标2. 2. 电桥的非线性误差电桥的非线性误差 电桥的输出电压电桥的输出电压Uo与电阻变化与电阻变化R1之间不是线性关系，为之间不是线性关系，为了便于测量装置的实现，常将非线性方程线性化，若线性化了便于测量装置的实现，常将非线性方程线性化，若线性化后的输出电压为后的输出电压为Uos，则非线性误差定义为：，则非线性误差定义为：ooosfUUU第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标（1）单臂电桥）单臂电桥R2R4R1R3US图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图C

18、DBAUo当RX由R1变化到R1+R1时4312431112114321114433211111111RRRRURRRRRRURRURRRRRRRURRRURRRRRUssssso第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标（1）单臂电桥）单臂电桥R2R4R1R3US图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图CDBAUo当RX由R1变化到R1+R1时431211RRRRUUso）（11RR输出特性呈非线性关系输出特性呈非线性关系当当R1=R2，R3=R4时时半等臂电桥、第一对称电桥半等臂电桥、第一对称电桥ssoUUU)21 (4)2(2第三章 力、扭矩和压力传

19、感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标（1）单臂电桥）单臂电桥R2R4R1R3US图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图CDBAUo当当R1=R2，R3=R4时时ssoUUU)21 (4)2(2忽略分母上的忽略分母上的/2,/2,则可得到线性则可得到线性化方程：化方程：sosUU41则非线性误差则非线性误差21ooosfUUU输入变化越大，非线性误差越大输入变化越大，非线性误差越大第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标（1）单臂电桥）单臂电桥R2R4R1R3US图图8-2 8-2 电桥原理图电桥原理图CDBAUo当当R1=R2，R3

20、=R4时时ssoUUU)21 (4)2(2忽略分母上的忽略分母上的/2,/2,则可得到线性则可得到线性化方程：化方程：sosUU41输出电压灵敏度输出电压灵敏度41sosusUUK第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标（2）差动电桥）差动电桥R2R4R1R3US差动电桥原理图差动电桥原理图CDBAUo当当R1=R2电桥处于平衡状态，电桥处于平衡状态，若若R1增加增加Rx，则，则R2同时减少同时减少Rx，则电桥输出电压为：，则电桥输出电压为：ssxsxsxssxoUURRURRRURRRRRRRURRRURRRRU212121432143433211第三章 力、扭矩和压力传感器电桥电桥三、电桥的工作特性指标三、电桥的工作特性指标（2）差动电桥）差动电桥