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5. 1 电桥
• φ1，φ2，φ3，φ4—各桥臂电压与电流之间的相位差，称为阻抗角 • 纯电阻时，电压与电流同相位，φ=0;电感性阻抗，电压超前于电流， φ>0(纯电感φ=90o);电容性阻抗，电压滞后于电流，φ<0(纯电容小 =φ90o)。因此交流电桥的平衡条件为
•
上式表明，交流电桥平衡必须满足上述两个条件。前者称为交流电 桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件 • 对于纯电阻交流电桥，由于分布电感的影响较小，可以不予考虑， 而导线分布电容的影响较大，相当于每个桥臂上都并联了一个电容， 因此需调节电阻平衡和电容平衡。
• 交流电桥采用交流电源，电桥的四个桥臂可为电感、电容、电阻或其 组合，因此除了电阻外还包括有阻抗。如果阻抗、电流及电压都用复 数表示，则关于直流电桥的平衡关系式在交流电桥中也可适用，如图 5一3所示 • 电桥达到平衡时必须满足:
• 把上式中各复数用指数式表示，则为
• 式中Z01、Z02、 Z03、 Z04—各阻抗的模;
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5. 1 电桥
•
• 4.温度补偿 在测量时，若被测构件和所粘贴的应变片的工作环境温度发生变化， 应变片本身将因温度变化产生应变ξt。显然，应变ξt在结构不承载时 仍然存在，因此，当结构承受载荷时，这个应变就会与由载荷作用而 产生的应变叠加在一起输出，使测量到的输出应变中包含了因环境温 度变化而引起的应变ξt，必然对测量结果产生影响。 利用电桥的加减特性，可以对应变片进行温度补偿，通常采用补偿 块补偿法或工作片补偿法。 (1)补偿块补偿法 使用两个同样的应变片，一片粘贴在试件上，另一片粘贴在与试件 同材料、同温度条件但不受力的补偿块上。根据电桥的加减特性，将 这两片应变片接入相邻桥臂上，由于温度的变化，工作片和补偿片上 产生相同的因温度引起的应变，在桥路中自动抵消，对电桥输出没有 影响，达到温度补偿的作用。
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5. 1 电桥
• 阻抗角之和相等的要求。若L1为被测量，R1视为电容介质损耗等效电 阻，L4、R4为可调元件，桥臂1和4的等效阻抗为R1+jwL1和R4+jwL4. 根据式(5一11)的平衡条件有
• 令上式的实部和虚部分别相等，得到下血的两个平衡条件，即
• 交流电桥的供桥电源除应有足够的功率外，还必须具有良好的
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5. 1 电桥
• 时，电桥平衡，这种状态称为初始平衡状态。式(5一2)叫做直流电桥 初始平衡条件。如果四个桥臂的电阻值相等(R1=R2=R3=R4)，则初始 平衡条件当然得到满足. • 2.电桥特性 • 在实际测试前，电桥已预调平衡，电桥输出电压只与桥臂电阻的变 化有关。当四个桥臂电阻R1、R2、R3、R4发生的电阻变化分别为 △R1、△R2、△R3、△R4后，电桥就失去平衡，此时电桥输出电压 为
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5. 1 电桥
• 令上式的实部和虚部分别相等，得到下血的两个平衡条件，即
• 可见，欲使电桥达到平衡，必须调节电阻与电容两个参数，分别达到 电阻平衡和电容平衡。 • 2.电感电桥 • 图5一5是常用的电感电桥，在一对相邻臂2和3上分别接入纯电阻 R2和R3，而另一对相邻臂1和4上分别接入电感L1和L4，以满足对臂
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5. 1 电桥
• 电压波形和频率稳定度。若电源电压波形畸变，则高次谐波不但会造 成测量误差，而且将扰乱电桥平衡。一般由振荡器输出高频交流 (5~10 kHz)作为电桥电源。电桥输出为调制波，外界工频干扰不易从 线路中引入，并且后接的交流放大电路简单而无零漂。
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5. 1 电桥
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5. 1 电桥
•
直流电桥工作时所需高稳定度的直流电源较易获得，电桥输出ey是 直流，可以用直流仪表测量。对从传感器至测量仪表的连接导线要求 较低，电桥的平衡电路简单。其缺点是直流放大器比较复杂，易受零 漂和接地电位的影响。
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5. 1 电桥
• 5.1.2 交流电桥
• • •
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5. 1 电桥
•
• (2)工作片补偿法
在同一被测试件上粘贴两个工作应变片，接入相邻臂应变片既可以 起到温度补偿的作用，又能测量真实的应变. • 5.布片和接桥 • 根据已知的应力分布规律、电桥特性、测量目的，合理地布片(即 应变片在试件上的位置和方向)和接桥，可以准确地测出各种载荷。 零件在实际工作中，往往会受到几种不同性质的外力作用，采用不同 方式的布片和接桥，可消除某种外力的影响，而测得在一种外力作用 下的应变。表5一1是各种受力状态下的布片和接桥.
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5. 2 放大器
•
在测试中，由于传感器或测量电路的输出信号电压、电流或电荷信 号很微弱，不足以直接用于后续的转换处理，或驱动显示、记录装置， 所以需要进行放大处理对微弱的信号放大是检测系统中必须解决的问 题。对测试系统中的放大器的要求包括: ①不耗散或基本不耗散信号的能量而改变原信号; ②线性，即放大倍数不随信号大小而变化，且放大倍数高; ③动态范围宽; ④低相移或无相移; ⑤幅频特性恒定; ⑥噪声小; ⑦输出量不受负载大小影响
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5. 1 电桥
• (2)图5一2(b)为半桥双臂连接 • 已有两种接桥方式:相邻桥臂或相对桥臂为工作桥臂。当以相邻臂为 工作桥臂时，如果电桥的两个相邻桥臂阻值变化量相等符号相反时， 即R±△R , R ± △R(或以相对臂为工作桥臂时，如果电桥的两个相 对桥臂阻值变化量相等符号相同时，即R±△R, R±△R)时，电桥的 输出电压为
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5. 1 电桥
• 5.1.1 直流电桥
• 1.电桥平衡条件 • 直流电桥工作原理如图5一1所示，四个桥臂电阻R1, R2,R3、R4为纯 电阻。电桥的a,c两端接入直流电源e0，另两端b, d为电即桥的输出ey。 电桥的输出电压为b, d两端的电位差,即
• 当电桥的输出ey=0时，电桥平衡。显然如满足
第5章 测试信号变换调理与显示记 录
• • • • • • • 5.1 电桥 5. 2 放大器 5. 3 信号的调制与解调 5. 4 滤波器 5. 5 信号的传输及干扰抑制 5 .6 信号的显示与记录装置 思考题
第5章 测试信号变换调理与显示记 录
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被测量经传感器转换后的输出一般是模拟信号。它以电信号或电参 数的形式出现。电信号的形式有电压、电流和电荷等;电参数变化的 形式有电阻、电容、电感等。以上信号由于太微弱或不满足测试要求， 需经过适当的调理，转换成便于处理、接收或显示记录的形式 • 本章主要讨论汽车检测中常用的信号调理电路，如电桥、信号的调 制与解调、信号的放大、滤波等，同时还要介绍几种显示记录仪器
• 3.电桥灵敏度 • 电桥灵敏度定义为单位电阻变化率所对应的电桥输出电压。
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5. 1 电桥
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电桥接法不同电桥输出的灵敏度也不同。对于图5-2 ( a)中半桥单臂 工作方式，只有一个桥臂参与工作，由式(5一6)可知电桥灵敏度S为
•
对于图5-2 (b)和图5一2(c)中半桥双臂工作方式和全桥臂工作方式， 对应电桥合灵敏度S分别为
• • • • • • •
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5. 2 放大器
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运算放大器是由集成电路组成的一种高增益的模拟电子器件。由于 价格低廉、组合灵活，故得到广泛应用。随着电子技术的发展，各种 新型、高精度的通用与专用放大器也大量涌现，如测量放大器、可编 程放大器、隔离放大器等 • 放大器工作时，必定对输入信号产生影响，也必定受后接负载的影 响。下面讨论基本放大器以及放大器与输入、输出阻抗匹配所带来的 影响。
上一页 下• 1.电容电桥
图5 -4是常用的电容电桥，在一对相邻臂2和3上分别接入纯电阻R2 和R3，而另一对相邻臂1和4上分别接入电容C1,C4，以满足相对臂阻 抗角之和相等的要求。若C1为被测量，R1视为电容介质损耗等效电 阻，C4, R4为可调元件。桥臂1和4的等效阻抗为 • 根据式(5一11)的平衡条件有
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5. 1 电桥
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式(5 -4)或式(5 -5)表明的输出电压是四项代数和，也就是说，电桥能 把各桥臂电阻变化所引起的输出电压自动相加或相减后输出，这就是 电桥的加减特性。所以合理地、巧妙地利用电桥特性，可以增大仪器 读数，并且可测出复杂受力杆件中的内力分量。 • 根据工作时桥路中参与工作的桥臂数，电桥有半桥单臂、半桥双臂 和全桥臂三种接桥方式，如图5 -2所示。设图中均为全等臂电桥，下 面分析这三种连接方式的电压输出。 • (1)图5一2(a)为半桥单臂连接 • 工作中电桥的一个桥臂R阻值随被测量而变化(如R为电阻应变片，其 余桥臂为固定电阻)，当电阻R的阻值增加△R时，由式(5 -4 ),输出电 压为
• 通过上述电桥特性分析，可以发现: • ①两相邻桥臂上电阻产生的应变相减:若两邻臂应变数值相等，当应 变同符号时，输出电压自动相减;当应变异符号时，输出电压自动相 加.
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5. 1 电桥
• ②两相对桥臂上电阻产生的应变相加:若两对臂应变数值相等，应变 同符号时，输出电压自动相加;当应变异符号时，输出电压自动相减。 • (3)图5一2(c)为全桥接法。工作时四个桥臂阻值随被测物理量变化， 如果R±△R1,R±△R2,R±△R3,R±△R4,当 △R1=△R2=△R3=△R4=△R电桥输出为
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5. 1 电桥
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电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化变为电压或电流输出的一 种转换电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可送入放大电路进 行放大。电桥结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响， 因此在测试系统中被广泛应用。按照电桥所采用电源的不同，分为直 流电桥和交流电桥;按照测量输出方式不同，可分为不平衡桥式电路 (又称为偏位法测量)与平衡桥式电路(又称零位法测量)