上海交通大学：《检测技术基础 Fundamentals of Test & Measurement Technology》课程教学资源_检测技术B_5.2信号变换技术

5.2信号变换技术 5.2.1测量电桥 1、基本概念 特点：灵敏度高、线性好、测量范围宽、 容易实现温度补偿 分类： 直流电桥 电阻应变式测力称重传感器 交流电桥（交流激励） 电抗变化式：电感式、差动变压器式、 电容式传感器

5.2 信号变换技术 5.2.1 测量电桥 1、基本概念 特点：灵敏度高、 线性好、测量范围宽、 容易实现温度补偿 分类： 直流电桥 交流电桥（交流激励） 电阻应变式测力称重传感器 电抗变化式：电感式、差动变压器式、 电容式传感器

电桥输出 Z,Z-ZZ Z uo us (Z+Z2)(Z3+Z4) 电桥平衡条件： Z1 Z3 Z2 Za 1W0 常使被测量为零时，电桥平衡

电桥输出 24 13 1 23 4 ( )( ) O S ZZ ZZ u u ZZZ Z − = + + 电桥平衡条件： Z1 Z3 = Z2 Z4 常使被测量为零时，电桥平衡

(1) Z=(1+δ)Z,Z2=Z3=Z4=Z时， 电桥灵敏度最大 ZZ-ZZ -δ (Z,+Z2Z3+Z4) 4=22+d ≈一 44(6≤1)

（1） 1 2 3 4 24 13 1 23 4 (1 ) , ( )( ) 2(2 ) ( 1) 4 O S S S Z ZZ Z Z Z ZZ ZZ u uu ZZZ Z u δ δ δ δ δ = + === − − = = ++ + ≈ −  电桥灵敏度最大 时

(2)半桥差动 Z1=(1+δ)Z,Z2=(1-δ)Z,Z3=Z4=Z -δ M0= 2 us Z us uo

（2）半桥差动 123 4 (1 ) , (1 ) , 2 O S Z ZZ ZZ Z Z u u δ δ δ = + =− = = − = us

(3) Z,=(1+δ)Z,Z3=(1+δ)Z,Z2=Z4=Z -26-82 -δ uo (2+y4,≈24

（3） 132 4 2 2 (1 ) , (1 ) , 2 (2 ) 2 O SS Z ZZ ZZ Z Z u uu δ δ δδ δ δ = + =+ = = −− − = ≈ +

(4) Z,=Z3=(1+δ)Z,Z2=(1-δ)Z,Z4=Z -3δ-62 -3δ u0= 2(2+6) 44、 4

（4） 1 3 2 4 2 (1 ) , (1 ) , 3 3 2(2 ) 4 O SS Z Z ZZ ZZ Z u uu δ δ δδ δ δ = =+ =− = −− − = ≈ + us

(5)全桥差动 (5)Z=Z3=(1+δ)Z,Z2=(1-δZ=Z4 uo =-ous

（5）全桥差动 1 3 2 4 (5) (1 ) , (1 ) O S Z Z ZZ Z Z u u δ δ δ = =+ =− = = −

交流电桥缺点：对激励电源的要求较高 稳定的幅值与电桥的灵敏度有关 稳定的频率与电臂的复阻抗有关 •供桥电压的幅值就是电桥的灵敏系数 •供桥电压受桥臂传感元件温度特性和检测系 统电源的限制，不可能太大，10~20V •为保证电桥输出的线性，阻抗变化常设计得 很小 •所以电桥输出电压很小，需要放大

•交流电桥缺点：对激励电源的要求较高 稳定的幅值--与电桥的灵敏度有关 稳定的频率--与电臂的复阻抗有关 •供桥电压的幅值就是电桥的灵敏系数 •供桥电压受桥臂传感元件温度特性和检测系 统电源的限制，不可能太大，10~20V •为保证电桥输出的线性，阻抗变化常设计得 很小 •所以电桥输出电压很小，需要放大

a 2、电桥放大器 R(1+δ) (1)电源浮置的电桥放大器 Re R ● 电桥输出电压与桥臂电 R 阻R无关，增益较稳定 ●u。与δ的线性范围较 小，δ/2<<1时才线性 A uo ●us的变化对u。有影响 ●激励电源浮地有时会使 电路设计不便 R+R uo R*BL.Sus R 2(2+6) R 4

2、电桥放大器 1 1 1 1 2(2 ) 4 f f O SS R R R R u uu R R δ δ δ + + =⋅ ≈⋅ + （1）电源浮置的电桥放大器 ●电桥输出电压与桥臂电 阻R无关，增益较稳定 ●uo与δ的线性范围较 小， δ/2 <<1时才线性 ●us的变化对uo有影响 ●激励电源浮地有时会使 电路设计不便 a b

(2)差分输入式电桥放大器 ●电桥输出电压与u和桥 R 臂电阻R都有关 A ●在运放的输入端存在共 模电压，要求有很高的共 模抑制比 ●单电源供电 设R1>>R,由线性叠加原理(U和U。分别作用、Ua=Ub): us

2 2 1 1 2(2 ) 4 f f O SS R u uu R R R δ δ δ ⎛⎞ ⎛⎞ =+ ⋅ ≈+ ⋅ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ ⎝⎠ + 设 R 1>>R，由线性叠加原理（ U s 和 U o分别作用、 U a= U b ） : （ 2）差分输入式电桥放大器 ●电桥输出电压与 u s和桥 臂电阻 R都有关 ●在运放的输入端存在共 模电压，要求有很高的共 模抑制比 ●单电源供电 U a U b