淺談電橋電路及其若干應(yīng)用

1、-. z.淺析電橋電路及其假設(shè)干應(yīng)用摘要：說明了電橋電路的工作原理和特點(diǎn)，淺談了電橋電路中的平衡問題和幾種平衡電橋的方法。最后，列舉了一些電橋電路在工程實(shí)際中的應(yīng)用。關(guān)鍵字：電橋電路工作原理平衡Abstract：Illustrates the working principle and characteristics of bridge circuit, mainly talks about the balance of the bridge circuit, some of the ways to balance bridge.Finally, lists some bridge circu

2、it in the practical engineering application.Keywords：bridge circuit，working principle，blance引言在工程實(shí)際中，被測量往往都是非常微弱的，必須用專門的電路來測量這種微弱的變化，最常用的電路就是電橋電路，它是測試系統(tǒng)中不可或缺的一局部，是信號處理的關(guān)鍵。由于具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、非線性誤差小、可測差動(dòng)變化方向、還可抑制共模干擾信號和消除溫度誤差等特點(diǎn)，在工程實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。1、電橋電路工作原理和特點(diǎn)在電阻應(yīng)變測量中，由于應(yīng)變片的電阻變化非常小一般是百分之幾到萬分之幾，用一般的測量儀表不能直接準(zhǔn)確測量

3、，因此必須運(yùn)用*種形式的測量電路。通常采用電橋電路將微小的電阻變化量轉(zhuǎn)換成易于放大和記錄的電壓或電流的變化量，經(jīng)電子放大器放大后，用儀表顯示或者記錄。電橋電路具有靈敏度高可測量數(shù)量級的微小電阻變化、構(gòu)造簡單、線性度好、測量圍寬、易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在測試技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。電橋電路按照其工作方式可以分為平衡電橋和非平衡電橋。1平衡電橋的工作方式為：測量前將電橋調(diào)節(jié)為平衡狀態(tài)，測量時(shí)因橋臂阻值發(fā)生變化讓電橋失去平衡，此時(shí)調(diào)節(jié)電橋的*橋臂的電阻值使電橋重新回到平衡狀態(tài)使電橋輸出為零，再以該橋臂電阻的調(diào)整量讀出被測信號的大小。其優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，但此方法在讀數(shù)前要再次調(diào)節(jié)使電橋平衡，故只用于靜

4、態(tài)測量。非平衡電橋的工作方式為：測量前將電橋調(diào)節(jié)為平衡狀態(tài)，測量時(shí)因橋臂阻值發(fā)生變化使電橋失去平衡，此時(shí)可在其測量端接指示儀器直接讀出輸出的電壓或電流，當(dāng)輸出的為電壓信號時(shí)稱為電壓橋，輸出為電流時(shí)稱為功率橋。在傳感器應(yīng)用中主要采用不平衡電橋。在實(shí)際測量中，無論采用哪種方式都必須在測量之前將電橋調(diào)節(jié)為平衡狀態(tài)。事實(shí)上，由于各枚應(yīng)變片的測量誤差、各條導(dǎo)線的電阻和各焊接點(diǎn)的接觸電阻的差異，以及分布電容影響等，使得各橋臂的阻值不可能完全相等。這樣，在測量前電橋就失去平衡，輸出一個(gè)虛假應(yīng)變信號，從而造成測量誤差。故在電橋電路中，必須設(shè)置預(yù)調(diào)平衡裝置，使各橋臂的電阻值滿足電橋電路的平衡條件R1R3=R2R

5、4 (R1、R3、R2、R4分別為電橋電路 4 個(gè)橋臂的阻值。電橋加減和差特性是電橋電路非常重要的特性之一，也是電橋電路組橋接線的重要依據(jù)。根據(jù)電橋的工作原理，當(dāng)電橋?yàn)槿缺垭姌騌1=R3=R2=R4=R0且各橋臂的電阻分別發(fā)生變化R1、R3、R2、R時(shí)，電橋輸出電壓為：由上式可以看出，電橋的輸出電壓與電阻變化及應(yīng)變的符號相關(guān)，式1可稱為電橋加減特性的表達(dá)式，其表現(xiàn)了電橋的一個(gè)重要特性電橋加減特性。該特性也可表述為：相鄰橋臂，同號相減，異號相加；相對橋臂，同號相加，異號相減。22、電橋電路中的平衡問題2.1電橋電路的平衡當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí),被測電阻的值只與R1、R3、R2、的值有關(guān),即: 而

6、與所使用的電源的電動(dòng)勢(或)的值和電流表的阻無關(guān)。但是,在實(shí)施具體測量時(shí),由于電流表的靈敏度所限,當(dāng)觀察到電流表指針指零時(shí),電橋并不一定平衡,從而會(huì)給測量結(jié)果帶來較大的誤差。假設(shè)我們把電流表指針指零時(shí)叫做電橋的視平衡,則,判定電橋是處于平衡還是處于視平衡,就成為減小測量誤差的很重要的一個(gè)方面。所以,在實(shí)際測量阻值時(shí),采用如圖2所示的電路來做出該進(jìn),圖2與圖1相比多了變阻器R和r3，以此來提高測量的準(zhǔn)確度。2.2利用積分反應(yīng)電路實(shí)現(xiàn)橋路自動(dòng)平衡如圖3所示,由A3、R、C組成的積分電路,其輸入、輸出關(guān)系為:式中為積分時(shí)間常數(shù)。如果將積分電路的輸入端接放大器輸出端，積分電路的輸出端接放大器參考端,則

7、由于負(fù)反應(yīng)作用,放大器輸出端的電壓會(huì)因參考端電壓的變化而逐漸趨于零,從而到達(dá)調(diào)零的目的,歸零的時(shí)間與積分時(shí)間常數(shù)r有關(guān)。r越大,則歸零時(shí)間越長,但電容器漏電和電路寄生參數(shù)的影響將增加;r假設(shè)小,則積分漂移將增大。故r值的選取是有限的,一般取成為宜。調(diào)零的目的是為了測試,因此,調(diào)零完畢后,還要將積分電路的輸入端與放大器輸出端斷開,這時(shí)候放大器輸出端假設(shè)要保持無零偏狀態(tài),則積分電路的輸出端應(yīng)保持?jǐn)嚅_前的電壓值,這就要求電容器無漏電。所以在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)盡可能選取漏電阻大,泄漏小的電容器,如聚苯乙烯等電容器,這對電路平衡的保持時(shí)間至關(guān)重要。4該電路構(gòu)造簡單,制作方便,價(jià)格廉價(jià),調(diào)零效果好,但對器件性

8、能要求高,保持時(shí)間較短。2.3利用A/D,D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)橋路自動(dòng)平衡如圖3所示,該電路利用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸出端作為D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸入,D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號經(jīng)放大(或反向放大)后送到儀表放大器的參考端。當(dāng)按下自動(dòng)平衡按鈕后,通過單穩(wěn)電路給一定時(shí)脈沖使計(jì)數(shù)器清零,同時(shí)啟動(dòng)振蕩器工作。計(jì)數(shù)器清零后,D/A轉(zhuǎn)換器輸出一固定負(fù)的(或正)電壓值,經(jīng)反向放大后送到儀表放大器的參考端,此時(shí)不管零偏為正或?yàn)樨?fù),加在儀表放大器參考端的大電壓值可保證其輸出均為一正電壓值甚至過載(可用表頭顯示),隨著計(jì)數(shù)器的不斷計(jì)數(shù),D/A轉(zhuǎn)換器的輸出逐漸由負(fù)值向正值變化,儀表放大器的參考端電壓則由正向負(fù)變化,相

9、應(yīng)其輸出也不斷減小,當(dāng)其輸出值由正電壓變?yōu)樨?fù)電壓的瞬間,過零檢測電路給出信號使振蕩器停振,計(jì)數(shù)器停頓工作,D/A轉(zhuǎn)換器的輸出值也不再變化,這時(shí)儀表放大器的輸出根本無零偏(1mV左右)。由于計(jì)數(shù)器的記數(shù)值是被保持的,故加到儀表放大器的參考端電壓值在調(diào)零完畢后仍保持不變,只要沒有新的失衡或斷電,電路的平衡狀態(tài)可以得到長時(shí)間的保持。43、電橋電路的實(shí)際應(yīng)用3.1收錄機(jī)中直流電機(jī)的電子穩(wěn)速圖4電路是收錄機(jī)電橋穩(wěn)速電路圖。轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生反電動(dòng)勢,而反電動(dòng)勢的大小與轉(zhuǎn)速成正比,電子穩(wěn)速電路就是利用這個(gè)反電動(dòng)勢來控制轉(zhuǎn)速的。由圖中知,轉(zhuǎn)子線圈的直流電阻、和共同組成橋式電路的四個(gè)臂。電路正常工作時(shí),A、B兩

10、點(diǎn)有一個(gè)電位差(A點(diǎn)負(fù)于B點(diǎn)),維持晶體管、處于工作狀態(tài)。改變的大小,可以改變電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。假設(shè)增加,則的基極電位。令的反射極與基極的電位差個(gè)的集電極電流個(gè)的集電極電流也相應(yīng)個(gè)相當(dāng)于減小了調(diào)整管的阻,提高電機(jī)的供電電壓,使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速提高。電路中也可采用降低電阻降低轉(zhuǎn)速的方法。電路中采用平衡電橋可以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。3.2用于電冰箱熱敏電阻式溫控器電冰箱用于溫度控制的平衡電橋原理圖如圖5所示。這種溫控器所用的感溫元件是一支熱敏電阻。它的工作原理是將熱敏電阻直接放在箱空間的適當(dāng)位置,利用熱敏電阻受到箱較小的溫度變化(一般為)影響時(shí),其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化,因此可利用平衡電橋的組成來改變通過

11、半導(dǎo)體三極管的基極電流,再經(jīng)放大,便可帶動(dòng)控制制冷壓縮機(jī)的開動(dòng)或停頓運(yùn)轉(zhuǎn)的繼電器,到達(dá)對電冰箱箱溫度的直接控制。箱溫度控制圖如圖二所示?？刂凭植客耆梢援嫵蓤D示的電橋電路,其中是熱敏電阻。3.3電視機(jī)中和電路以上兩電路均是用電阻組成的電橋,而電視機(jī)中和電路采用電容組成電橋。原理圖如圖6所示。由于VHF高頻放大器一般采用共發(fā)射極電路,當(dāng)電路工作頻率高時(shí),晶體管集電極和基極間的極間電容。會(huì)把高放管的輸出信號反應(yīng)到輸入端,如圖6a所示。這樣會(huì)造成高頻放大器自激使電路工作不穩(wěn)定。為減小這種反應(yīng),除了選用。小的高放管外,有時(shí)還在電路中加中和電容。將圖6a改成圖三b。圖中、與組成一個(gè)電容電橋電路兩端電壓作為電橋的信號源電壓。適當(dāng)調(diào)整G的大小，可使使電橋平衡。電橋平衡后,不管高放級輸出電壓(即L,兩端電壓)有多大,在高放管輸入端也不會(huì)有反應(yīng)電壓。同時(shí),加至混頻管基極的本振信號,也不能通過電橋傳至天線產(chǎn)生寄生調(diào)幅。5結(jié)論電橋電路具有靈敏度高、構(gòu)造簡單、線性度好、測量圍寬、易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在測試系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，從日常生活中的電器到工業(yè)裝備中的電力電子系統(tǒng)都有電橋電路的用武之地，尤其在機(jī)電一體化的潮流中，電橋電路將發(fā)揮不可替代的作用。參考文獻(xiàn)1黎景全.軋制工藝參數(shù)測試技術(shù)第 3 版M.：冶金工藝，2010.2許文林,程茁,蔡