第四章信号的调理和记录 被测信号经传感器转换成电信号,通常要经过调理和处理,以提高信噪比,并 把信号转换成更便于处理或供人工观察。 第一节电桥 电桥处于近似平衡状态运行,具备: 增加动态范围 2、共模信号抑制; h1 C 3、桥臂温漂平衡; 4、增加灵敏度: Ra 5、提髙信噪比、增加分辨力。 分类:按激励电压(1)直流电桥 (2)交流电桥 按输出方式(1)不平衡桥式电路 图41直流电 (2)平衡桥式电路 桥 直流电桥见图4-1 KDI
第四章 信号的调理和记录 被测信号经传感器转换成电信号，通常要经过调理和处理，以提高信噪比，并 把信号转换成更便于处理或供人工观察。 第一节电桥 电桥处于近似平衡状态运行，具备： 1、增加动态范围； 2、共模信号抑制； 3、桥臂温漂平衡； 4、增加灵敏度； 5、提高信噪比、增加分辨力。 分类 ：按激励电压（1）直流电桥 （2）交流电桥 按输出方式（1）不平衡桥式电路 （2）平衡桥式电路 一．直流电桥 见图4-1 U0 a b c d I1 I2 R1 R2 R4 R3 Uy 图4—1 直流电 桥 1
图41是直流电桥的基本形式。以电阻R1,R2,R3,R作为四个桥臂,a、c 两端接入直流电源U,在b、d端为输出电压U。当电桥输出端后接较大输 入电阻的仪表或放大器时,可视为开路,电流输出为零,此时桥路电流为 尺1+R2 R2+R4 a,b之间与a,d之间电位差为 R4 R Ua=1R R -Uo U=l,Ra R d R+r R+RA 输出电压为Un=U-U R4 RR-RR4 U0(4-3) R+R2 R+R2(R3+R) 由此可知,若使电桥平衡,输出为零,应满足 RR2-R2R1=0 RR=RR|→R=R (4-4) R R 由式(4-4),如果适当选择各桥臂电阻值,可使输出电压与被测量引起的 电阻变化量有关 KDI
图4-1是直流电桥的基本形式。以电阻R1，R2，R3，R4作为四个桥臂，a、c 两端接入直流电源U0，在b、d两端为输出电压Uy。当电桥输出端后接较大输 入电阻的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零，此时桥路电流为 1 2 0 1 R R U I + = 3 4 0 2 R R U I + = a, b之间与a, d之间电位差为 0 1 2 1 1 1 U R R R Uab I R + = = 0 3 4 4 2 4 U R R R Uad I R + = = 输出电压为 0 1 2 3 4 1 3 2 4 0 3 4 4 0 1 2 1 ( )( ) U R R R R R R R R U R R R U R R R U y Ua b Ua d + + − = + − + = − = （4-3） 由此可知，若使电桥平衡，输出为零，应满足 0 R1 R3 − R2 R4 = → R1 R3 = R2 R4 3 4 2 1 R R R R → = （4-4） 由式（4-4），如果适当选择各桥臂电阻值，可使输出电压与被测量引起的 电阻变化量有关。 2 U0 a b c d I1 I2 R1 R2 R4 R3 Uy
在实际测试中,桥臂分为半桥式与全桥式联接,见图42,在图a中表示半 桥联接,工作中只有一个臂阻值随被测的量而变化。设△R1是电阻R1的 电阻增量。根据式(4-3),此是输出电压为 R1+△R R R1+△R21+R2R3-R4 为了简化桥路设计,令R1R2=R3=R=R0,则输出电压为 △R 4R+2△R 因为△R1<R所以U、△R 4R 0 (45) 可见,电桥输出U电压与激励电压U成正比,并且在△R<R条件下, 与△RR成比例。 图4-2b为半桥双臂接法。工作中有两个桥臂阻值随被测量而变化,即 R1±△R R2千AR2 根据式(4-3),当R1=R2=R3=R=R0;△R1=△R2=△R时电桥输出为 △R (46) 2R KDI
在实际测试中，桥臂分为半桥式与全桥式联接，见图4-2，在图a 中表示半 桥联接，工作中只有一个臂阻值随被测的量而变化。设ΔR1是电阻 R1 的 电阻增量。根据式（4-3），此是输出电压为 0 3 4 4 1 1 2 1 1 ( )U R R R R R R R R U y − − + + + = 为了简化桥路设计，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，则输出电压为 0 0 1 1 4 2 U R R R U y + = 因为ΔR1<< R0，所以 0 0 1 4 U R R U y （4-5） 可见，电桥输出 Uy 电压与激励电压 U0 成正比，并且在ΔR1<< R0条件下， 与ΔR1 / R0成比例。 图4-2b为半桥双臂接法。工作中有两个桥臂阻值随被测量而变化，即 R1 R1 R2 R2 根据式（4-3），当R1= R2 = R3= R4= R0；ΔR1=ΔR2=ΔR 时电桥输出为 0 0 1 2 U R R U y （4-6） 3
图4-2c为全桥接法,工作中四个桥臂阻值随被测量而变化,即 R1±△R1R2AB2R3土AR3R4千△R4 同理当R1=R2=R3=R=R0,△R=△R2=△R3=△R=△R时电桥输出为 U.≈AR (47) 显然,电桥接法不同,输出电压也不同,三种接法电桥输出之比为 1:2:4,全桥最大。 注意:(1)尽量采用全桥接法,提高输出信号。 (2)对面桥臂阻值变形性质相同,相邻桥臂阻值变形性质相反。 (3)非线性问题。(非线性为△R/R的平方) 上述电桥是在由被测量变化引起不平衡状态下工作的,缺点是电源电压不稳 定,或者环境温度有变化时,都会引起电桥输出变化,产生测量误差。为此 可采用平衡电桥测量法,见图4-3 KDI
图4-2c为全桥接法，工作中四个桥臂阻值随被测量而变化，即 R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4 同理当R1= R2 = R3= R4= R0，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR时电桥输出为 0 0 1 U R R U y （4-7） 显然，电桥接法不同，输出电压也不同，三种接法电桥输出之比为 1：2：4，全桥最大。 注意：（1）尽量采用全桥接法，提高输出信号。 （2）对面桥臂阻值变形性质相同，相邻桥臂阻值变形性质相反。 （3）非线性问题 。（非线性为ΔR/R的平方） 上述电桥是在由被测量变化引起不平衡状态下工作的，缺点是电源电压不稳 定，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出变化，产生测量误差。为此 可采用平衡电桥测量法，见图4-3。 4
当被测量引起电桥不平衡时, 调节R使输出G仪表显示 H 零,电位器上的标定与桥臂 R 电阻值变化成比例,故H指 R R 示值可以直接表达被测量, G 这种测法特点是G始终为 零 R 因此为“零位测量法”测量 精 度取决于可调电位器的精确 度,与电源电压无关。一般 图43平衡电桥 平衡电桥测量适用于静态测 量,以手工调平衡 KDI
G U0 R1 R2 R4 R3 图4—3 平衡电桥 H R5 当被测量引起电桥不平衡时， 调节 R5 使输出 G 仪表显示 零，电位器上的标定与桥臂 电阻值变化成比例，故 H指 示值可以直接表达被测量， 这种测法特点是 G 始终为 零， 因此为“零位测量法”测量 精 度取决于可调电位器的精确 度，与电源电压无关。一般 平衡电桥测量适用于静态测 量，以手工调平衡。 5