电桥 (Bridge circuit)在线视频

那么下面我们看一看电桥

电桥是1833年

由塞缪尔·亨特·克里斯蒂发明的

在1843年的时候

由查尔斯·惠斯通先生

改进及推广的一种电阻

或者电感或者电容精确测量的方法

又称为惠斯通电桥

电桥按照分类的方式有两种

一种是信号类型

一种是应用类型

在信号类型当中

是直流电桥

交流电桥和变压器式电桥等

按照应用类型来分呢

分测量电桥、整流电桥和3db电桥

下面是电桥的原理电路图

在左侧呢是英国物理学家

查尔斯·惠斯通先生他的图像

电桥的应用实际上是非常广泛的

比方说电容传感器的

信号放大当中需要电桥

那么压电传感器它的信号的

放大过程中也需要测量电桥

还有就是热敏电阻

信号的检测过程当中

也需要电桥、电路

那么接下来我们看一个例子

在风速测量过程中

微型化的风速测量

大多数都采用电阻电桥

它是利用热敏电阻组成电阻电桥

风速的变化

会导致热敏电阻组织发生变化

决定电桥的输出的结果

比方说在无人机等

智能控制平台当中

就具有广泛的应用

下面是一个PT100热敏电阻

在这个电阻当中也使用了电桥

接下来我们看另外一个

压力测量的实例

那么电桥实际上是压力传感器当中

主要信号的前置放大处理方式

那么在高温压力检测

抗冲击压力检测当中

以及建筑形变的检测当中

使用的压力传感器

都使用了测量电桥

那么压力传感器的电阻的变化

是非常微小的

采用测量电桥

能够扩大信号感知的线性范围

提高它的测量精度

应用在陶瓷的压力传感器

以及扩散硅压力传感器

和蓝宝石压力传感器方面

那么测量电桥都是传感器的

后续处理电路

下面我们看一看电桥的基本概念

电桥是将电阻、电容

电感等参数的变化

转换为电压或者电流的

输出的一种测量电路

右边这个图当中

就是我们经常可以看到的

电桥的一些试验装置

那么它可以分成

根据其所采用的激励电源类型

有直流电桥和交流电桥

根据其工作原理来进行分类

那么电桥分成归零法和偏值法

那么测量电桥

主要是针对微弱变化的电信号的

最常用的一种信号的调理电路

那么它测量的电桥结构

相对是简单的

应用是广泛的

在前面举的例子当中

我们已经可以看到这一条

惠斯通电桥实际上是一个

最最基本的测量的电桥

在电桥输出

它可以敏感反映桥臂上阻值的变化

那么我们可以看到

典型的电桥电路在下方

其中U是供桥的电源

Z1、Z2、Z3和Z4是电阻

电容或电感等的电抗元件

电抗元件并非全部是

传感器的敏感元件

它部分也是为电路对称而使用的

那么下面我们看看

电桥测量相关的功能

电桥电路的输出

与电桥的输入阻抗之间

通常是存在着非线性关系的

非线性严重的时候

我们就需要

对电桥电路进行调整和校正

增加电桥的工作桥臂

那么可以降低非线性的误差

通常采用的是对称

差动式的传感器的结构

组成差动半桥或者全桥

从而实现非线性误差的补偿

那么采用对称差动式的结构

可以提高电桥输出的灵敏度

那么下面我们简单做一个小结

对于电桥而言

我们可以对它这样的分类

第一个方面呢

是按照工作状态分类

分为平衡电桥和不平衡电桥

那么第二方面

是按照桥臂的的参数来分类

可以分为电阻式电桥

和阻抗式电桥

第三个方面我们可以按

工作桥臂的个数来分类

分成单臂电桥

双臂电桥、差动电桥

那么第四个方面可以按

供桥电源类型来分类

可以分为直流电桥和交流电桥

其中直流电桥可以分成

恒流源电桥和恒压源电桥

那么按照供桥的电源类型来分类

直流电桥

可以分成直流电桥和交流电桥

或者是恒压源电桥

或者恒流源电桥

其中直流电桥

它的稳定性是比较高的

电桥的平衡条件也比较简单

但是作为不平衡电桥工作的时候

它输出的电流信号

是比较容易受到干扰的

那么后接的直流放大器呢

也容易产生零漂

对于交流电桥而言

它的平衡条件通常是比较困难的

也容易受到分布式参数的影响

其后那么交流放大电路呢

相对是比较简单的

因低漂移直流放大器件的应用

和智能检测技术发展

直流电桥的使用是越来越广泛的

对于恒压源电桥的供桥电源

通常为恒压源

它的实现起来也比较简单

恒流源电桥供桥电源呢

为恒流源

它受到环境影响比较小

并且线性度也比较好

因此说在半导体传感器的电桥中

是常被采用的

也我们经常使用的一种电桥

按照组成的桥臂的参数分类

那么有电阻电桥和阻抗电桥

电阻电桥四个桥臂全部为电阻

阻抗电桥呢

工作桥臂为阻抗元件

包括电容或者电感

其他桥臂也可以是

阻抗元件或者是电阻

按照工作桥臂的个数来分类

分单臂和双臂和差动全桥

那么单臂电桥的工作桥臂呢

是只有1个的

双臂电桥的工作桥臂呢是2个

如果2个桥臂同时变化的时候

应分别置于电桥的相对桥臂

两个桥臂差动变化的时候

应置于电桥的相邻桥臂

那么差动全桥的4个桥臂

都是为工作桥臂

必须要保证相邻桥臂

向相反方向来去进行变化的

这些原则都是必须要遵从的

按照工作状态来分类的话

分为不平衡电桥和平衡电桥

不平衡电桥

也就是假设初始工作状态

为平衡状态

那么此时它的输出就为0

当电桥的工作桥臂R1

因被测量变化而变化的时候

电桥就失去平衡了

输出的不平衡电压为U0

在整个测量的过程当中电桥

是处于不平衡状态的

那我们称为不平衡电桥

或者是偏位测量电桥

下面这个图当中

就是表示了不平衡电桥的

工作的示意的原理图

那么平衡电桥

当桥臂R1

因被测量的变化而变化的时候

电桥不平衡电压U0

就被送到伺服的机构当中

此机构

自动调整桥臂R3的阻值

那么是恢复电桥平衡状态

那么这时候它的输出U0是为0的

那么被调整的桥臂电阻

R3产生变化

那么与被测量

就成了一个函数的关系

由于读刻度的时候

电桥是处于新的平衡状态

那么我们称为平衡电桥

或者是零位法测量电桥

平衡电桥主要用于

静态测量或者在反馈系统当中

起比较器的作用

不平衡电桥大量用于

自动检测应用当中

那么将电阻、电容和电感

等电路参数变化转换成

电桥的不平衡输出

若没有反馈

或者是恢复平衡的调节环境和过程

结构简单

对被测量变化反应快

适用于对被测量的连续测量

准确度是不如平衡电桥的

对于直流电桥而言

我们可以看到

利用4个桥臂当中的一个

或数个阻值的变化

而引起的电桥输出的电压的变化

那么在电路分析当中

我们看图5.1

直流电桥结构的形式

那么a和b之间

与a和d之间的电位差分别为

Uab=I1R1=R1eo/（R1+R2）

它的输出电压Uad

=I2R4=R4eo/（R3+R4）

那么电桥的平衡条件

是ey=Uab-Uad

那么它的最后的平衡条件是

R1R3=R2R4

我们可以看到5.5公式

直流电桥它的连接方式

有半桥单臂、半桥双臂和全桥

下面图5.2

就是直流电桥的连接方式

我们可以看到a是半桥单臂

b是半桥双臂

c是全桥

那么对于半桥单臂而言

也就是说工作的时候

只有一个桥臂的电阻值

随着被测量而变化的

那么假设该电阻为R1

它的变化量为ΔR

则由上面的5.4式

也就是ey=Uab-Uad

那么可以得到

ey的式子是5.6式

那我们设相邻桥臂的

阻值相等的话

也就是说R1=R2=R0

R3=R4=RO/

假设RO=R0/

这个时候

我们从5.6式当中就可以得到

ey=ΔReo/（4R0+2ΔR）

我们得到了5.7式

如果说ΔR远远小于RO的时候

这个时候我们把5.7式

又进一步约简为

ey≈ΔRe0/4Ro

那么我们得到了5.8式

对于直流电桥当中的全桥

也就是4个桥臂的阻值

均随被测量发生变化

那么意思就是R1±ΔR1

R2±ΔR2

R3±ΔR3

R4±ΔR4

如果说

他们所有的电阻值都等于R0的话

所有变化量的值

也就是ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4

都等于ΔR的话

这个时候它的输出就是

ey等于什么呢

等于ΔReo/R0

我们得到了5.10式

如果说当四个桥臂的阻值变化

为同号的时候

也就是说要大都是增大

要么减小阻值都减小的时候

我们这个时候就可以得到

当R1和R2、R3和R4

都等于R0的时候

我们就可以得到5.11式

就是ey=

(ΔR1/R-ΔR2/R+ΔR3/R-ΔR4/R)eo/4

这就是我们得到的

全桥的输出电压的值

那么5.11式

下面我们看看

桥臂阻值变化

对输出电压所产生的影响的规律

那么也就是电桥的和差特性

应该说电桥的和差特性是

非常非常重要的

那么也就是说

对于相邻的两个桥臂

比方说R1和R2

他们的电阻的变化所产生的输出电压

为该两个桥臂各阻值变化

所产生的输出电压之差

那么相对两个桥臂如R1和R3

那么他们的电阻的变化

所产生的输出电压

为该两桥臂各阻值变化

产生的输出电压之和的

那么这就是所谓的和差特性

和差性质的应用

实际上是非常广泛的

比方说悬臂梁的应变仪

要提高灵敏度

常在这个梁上的上面和下面

各贴一个应变片

那么将两个应变片

接入电桥的相邻两个端臂

那么这个时候我们就可以得到

电桥的灵敏度的定义

在图3当中可以看到

悬臂梁应变仪的结构

那么我们得到的

电桥的灵敏度5.12式

S=等于什么呢

等于eo/（ΔR/R）

其中Δeo

是电桥输出电压的变化量

接下来我们看看交流电桥

对于电感式或者电容式的传感器

我们常需要用交流电桥

进行信号的调理

与直流电桥不同的是

它的激励电源是交流的

那么桥臂可以是电阻

电感或者是电容

交流电桥它的使用也是非常广泛的

比方说可以测量

交流等效电阻及其时间常数

也可以测量电容及其介质的损耗

还有就是自感

及其线圈品质因数和互感等参数

当然还包括其他

非电量的变换和相应的

电量参数的精密测量等等

那么它的平衡分析是

z1z3=z2z4

也就是说

相对桥臂的阻抗层级是相等的

那么根据这样的一个原则

实际上在式子当中

zi是各桥臂的复数的阻抗

那么z1等于什么呢

Ziejφi

我们把这个式子

代入到5.13式当中

我们就可以得到5.14式

进而我们可以得到

交流电桥的平衡条件

也就是Z1Z3=Z2Z4

那么同时它的相角

φ1+φ3=φ2+φ4

我们得到了5.15式

这个就是交流电桥的

平衡的条件

那么接下来我们讨论一下

相角的变化和桥臂电流电压

相位之间的关系

那么当桥臂为纯电阻的时候

φ=0

如果是电感性阻抗的时候

φ大于0

若为电容性阻抗的时候

φ是小于0

如果桥臂结构

采用不同的组合方式

要满足相对桥臂阻抗之间的

和相等的条件

下面图5.6

就是常见交流电桥结构的形式

a是电容式电桥

b是电感式电桥

那么接下来我们看看

影响交流电桥测量精度的因素

那么电桥各元件之间

它们存在互感耦合

泄露电阻以及元件间

元件对地之间

都存在一些分布的电容

那么邻近交流电路

对电桥的影响、感应等等

这些都是影响交流电桥精度的

一些相关因素

因此说

交流电桥的激励电源

要求其电压的波形和频率

必须具有很好的稳定性

那么下面我们看一下

对于电桥使用过程中

应该注意的问题

以下这两张图5.9当中的a图

是具有远距离连接传感器的电桥

其中图b是带有补偿电缆的电桥

那么通常而言

我们在电桥接线测量过程当中

我们采用的补偿方法

是采用三导线的这种方式

是来进行补偿的

采用这种方式来进行补偿

可以有效的对电桥当中

出现的一些寄生电容

和电感能够进行有效的补偿

提高电桥测量的这个准确度

那么在电桥使用过程当中

还有一些应该注意的问题

比方说电桥灵敏度的调节

那么我们可以看看

右边图5.1电桥灵敏度的调节的方法

那么在输入导线的一根

或者两根上加入一个

可变的串联的电阻Rs

那么这个时候

电桥上所有臂的电阻均为R

则电压源所看到的电阻值也为R

如果如图所示

串联一个电阻Rs的话

那么根据分压电路的原理

电桥的输入将被减少一个因子

这个因子是n

我们可以看到5.19式表现形式

我们把这个n称为电桥因子

在电桥使用过程当中

应该注意的另外一个问题

就是采用电桥的并联校正方法

那么对于电桥

直接引入一个已知的电阻变化

来观察其对电桥输出的效果

我们可以看到

引起该电压输出的电阻

改变值ΔR等于什么呢

等于R1—Rc/（R1+Rc）

这是我们得到的5.20式

其实我们特别关注的是

这个时候电桥的灵敏度

是什么样子

我们从5.21式当中可以看到

这个就是S就是电桥的灵敏度

那么其中eAC是

电压表上可以读出的输出电压值