第四章应变片的测量电路（修改）.docVIP

第四章 应变片的测量电路 在使用应变片测量应变时，必须有适当的办法检测其阻值的微小变化。为此，一般是把应变片接入某种电路，让它的电阻变化对电路进行某种控制，使电路输出一个能模拟这个电阻变化的电信号，之后，只要对这个电信号进行相应的处理就行了。常规电阻应变测量使用的电阻应变议，它的输入回路叫做应变电桥（以应变片作为其构成部分的电桥），应变电桥能把应变片阻值的微小变化转换成输出电压的变化。 § 4－1直流电桥的输出电压 电阻应变仪中的电桥线路如图4-1所示。它以应变片或电阻元件作为桥臂。可取为应变片，从、为应变片或～均为应变片的等几种形式。当为前几种形式时，在其余桥臂中接入电阻温度系数很小的精密无感固定电阻。顶点、和、分别称为电桥的输入端和输出瑞（在电工技术里常称为电源端和测量端）。 电桥的输入电压（电桥电源）可以是直流或交流的。 先讨论输出端开路的情况，它最简单，但却很有意义。因为，应变电桥的输出总是接到电子放大器的输入端，而放大器的输入阻抗一般很大，以致可近似认为电桥输出端是开路的（实际上是流过测量端的电流很小，亦即，电桥输出端主要是电位差起作用）。在电桥设计中，这种电桥称为电压桥。这样，问题就变为求、两点间的电位差。 如图5-1所示，设输入电压E恒定。因为BD间开路，故电流 电阻和上的电压降分别为 它们分别等于A点与B点，A点与D点之间的电位差，即 将两式相减，可得D、B两点间的电位差即电桥输出电压为 记为 当 U=0时，表示电桥处于平衡，得，此即直流电桥的平衡条件。变到，变到，余此类推。将它们代入式（4-1）得 在容许的非线性误差范围内，得到一个线性关系式，即 （4-5） 注意，此式推导中利用了电桥平衡条件，而且是针对等臂或半等臂电桥。另外，图5-1中阻值相等的半桥（，）与桥源是并列的，这叫卧式桥。如果图中的，，则称为立式桥（立式桥亦满足平衡条件）。立式桥输出电压的推导结果与卧式桥稍有差异。在相同应变下，它的输出电压比卧式桥小些，而且与桥臂阻值比有关。应变电桥的一个重要性质：应变电桥的输出电压与相邻两臂的电阻变化率之差，或相对两臂电阻变化率之和成正比。 如果相邻两臂的电阻变化率大小相等、符号相同，或相对两臂的电阻变化率大小相等、符号相反，则电桥将不会改变其平衡状态，即保持 如果电桥四臂均接入相同的应变片，则据式(4-4）有 （4-6） 以上所讲，是电压桥，其电桥输出瑞为开路的情况。如果电桥负载为有限值，将对电桥的输出电压产生什么影响？在图 (4-2)中，应变电桥输出瑞接有负载电阻。当开关断开 时，电桥的输出电压（开路电压）如式(4-1)所示。闭合将有电流通过，产生压降 电桥负载电阻为时，其输出电流与电压一般表达式 从上面两式中可以看出，当时， , 即电桥处于平衡状态，其平衡条件和电压桥的平衡条件完全相同。电桥的输出电流与电压和负载电阻RL有关，当 时，输出电压最大，输出电流为零（即电压桥）。 在有些电阻应变仪中，为了使电桥功率能更有效的输出，选择适当的负载电阻使得电桥功率输出最大，这种电桥称为功率桥。 从电工学得知电桥输出功率 利用极值条件 将式(4-7）代人上式微分后得 上式表明当电桥负载电阻与电桥内阻相等时，电桥输出功率最大此时获得最佳匹配。 将上式代入式(4-7)和式(4-8)中得到功率桥的输出电流与电压 与电压桥相同推导方法，可以得到，在等臂电桥中()，当各臂阻值发生变化时，功率桥输出电压与电流为