淺析自動(dòng)檢測(cè)中的電橋電路

摘 要：電橋電路以其自身的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到檢測(cè)電容、電阻等變化量中，如消除溫度誤差、抑制共模干擾信號(hào)、可測(cè)差動(dòng)變化方向、較小的非線性誤差、較高的精確度和靈敏度等，因此研究電橋電路具有重要意義。文章主要研究電橋電路的概述、工作原理，以及自動(dòng)檢測(cè)中調(diào)整差動(dòng)電橋電路的方法。

關(guān)鍵詞：電橋電路；自動(dòng)檢測(cè)；檢測(cè)技術(shù)

前言

隨著電橋的快速發(fā)展，人們逐漸加大了對(duì)它的重視，為了給人們提供安全、高效的電橋，在自動(dòng)檢測(cè)中常用電橋電路來檢測(cè)一些阻抗變化量，從而提高自動(dòng)檢測(cè)的工作效率，促進(jìn)電橋的安全運(yùn)行。

1自動(dòng)檢測(cè)中的電橋電路的概述

一個(gè)四邊形的電路結(jié)構(gòu)是由四個(gè)二端元件連接構(gòu)成的就是電橋電路，在四邊形的電路中各邊叫做橋臂。用電橋電路將電阻片的實(shí)際電阻變化率通過電壓的形式輸出，為放大后的放大電路提供測(cè)量，這就是電橋電路的作用。根據(jù)不同的分類方法可以將電橋電路分為不同的類別，如單臂橋、差動(dòng)電橋、雙差動(dòng)電橋；交流電橋、直流電橋；不平衡電橋、平衡電橋。另外電橋電路的主要輸出形式根據(jù)其負(fù)載情況可以分為電壓、電流兩種形式。電橋的平衡條件為n=R1/R2=R3/R4。

2 自動(dòng)檢測(cè)中的電橋電路的工作原理

2.1 差動(dòng)電橋

將被測(cè)電阻接入到電橋的四個(gè)橋臂中，則可以得到被測(cè)電阻Z為電阻i與電阻i的變化率的和，其中i為四個(gè)橋臂的序號(hào)1、2、3、4.當(dāng)開始檢測(cè)的時(shí)候電阻i的變化率為零，那么被測(cè)電阻Z為電阻i相等，且滿足n=R1/R2=R3/R4條件，當(dāng)四個(gè)橋臂的電阻開始變化，那么電橋的輸出電壓就是Ui[（R3+ΔR3）（R2+ΔR2）-（R4+ΔR4）（R1+ΔR1）]/[（R4+ΔR4+R3+ΔR3）（R2+ΔR2+R1+ΔR1）]，由于其中的Ri比ΔRi要大那么其中的二階微量項(xiàng)就可以忽略不計(jì)，當(dāng)R1、R2、R3、R4都相等的情況下，那么它就是全等臂電橋[1]。在單臂橋的工作中，當(dāng)具有相同的輸出電壓時(shí)，非線性誤差e=1/2×ΔR1/R1，其輸出電壓與不平衡電壓是一致的，則電壓U=UiΔR1/4R1，則非線性誤差是存在的。在雙臂差動(dòng)電橋中，同時(shí)變化兩個(gè)對(duì)應(yīng)的橋臂，保持其具有相等的變化量，相反的方向。例如分別在橋梁的上、下面粘貼完全相同的兩個(gè)電阻應(yīng)變片，確保其粘貼在相同的位置，當(dāng)橋梁受到力產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象時(shí)，若是出現(xiàn)兩個(gè)電阻應(yīng)變片具有相等大小的電阻值變化，且具有相反的極性，那么就叫它為雙臂差動(dòng)電橋。那么非線性誤差e=[ΔR1/R1+（-ΔR2/R2）]/2=0，輸出電壓為UiΔR1/2R1，由此可以看出與單臂電橋的輸出電壓相比，雙臂差動(dòng)電橋的輸出電壓提升了兩倍，也就是說提升了兩倍的靈敏度，非線性誤差也極大的減小，甚至消除了[2]。若是在四臂差動(dòng)電橋中，當(dāng)同時(shí)變化四個(gè)對(duì)應(yīng)橋臂電阻時(shí)，且具有相等大小的變化量，兩個(gè)對(duì)應(yīng)的橋臂保持相反的方向，那么在粘貼相同的電阻應(yīng)變片，兩個(gè)對(duì)應(yīng)的電阻片就會(huì)出現(xiàn)相反的極性，就叫它為四臂差動(dòng)電橋。而非線性誤差e=[ΔR1/R1+（-ΔR2/R2）+（-ΔR3/R3）+ΔR4/R4]/2，輸出電壓為UiΔR1/R1，與單臂電橋相比，四壁差動(dòng)電橋提高了4倍的輸出電壓、靈敏度，對(duì)非線性誤差起到了消除作用。從而得出差動(dòng)電橋的特點(diǎn)有：消除溫度誤差、對(duì)共模干擾信號(hào)具有抑制作用；差動(dòng)變化的方向可以準(zhǔn)確的測(cè)出；非線性誤差可以極大的較小或消除；電橋的靈敏度、輸出電壓可成倍的提高[3]。

2.2 不平衡電橋

當(dāng)初始的被測(cè)電阻X不發(fā)生任何變化時(shí)，則ΔR1為零，R1與初始的電阻相同。可調(diào)節(jié)電阻P，且與R2相等，保證輸出的電壓為零，那么n=R1/R2=R3/R4與初始的電阻X與調(diào)節(jié)的電阻比值相等。若是讓初始電阻X產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)變化，那么ΔR1就不為零，且增加的ΔR1再加上R1就是初始電阻X。而這時(shí)的電橋就會(huì)發(fā)生不平衡的現(xiàn)象，且輸出的電壓也不為零。若R1、R2、R3、R4的值都相等的情況下，那么輸出電壓就等于1/[2+ΔR1/R1]-1/2，當(dāng)電阻比電阻變化率大的時(shí)候，就可以忽略ΔR12/R12的部分，由此可得出結(jié)論：在電壓表顯示電壓刻度的時(shí)候?qū)⒈眍^標(biāo)記為F就可以顯示出力的值，若是出現(xiàn)不符的刻度，加上一個(gè)比例放大器就可以準(zhǔn)確的顯示出力值；如果應(yīng)變片電阻為被測(cè)電阻X，那么被測(cè)電阻X就會(huì)因外力而發(fā)生變化，這時(shí)通過測(cè)量其輸出電壓就可以測(cè)出外力的大小；當(dāng)電阻1和原有的電壓不變的時(shí)候，那么被測(cè)電阻X的變化情況就可以通過輸出的電壓大小來測(cè)量，而初始電阻X的變化也會(huì)引起輸出電壓的變化，這種情況就是自動(dòng)檢測(cè)中的不平衡電橋電路；電阻1的變化率與輸出電壓具有一定關(guān)系的時(shí)候，它們之間的關(guān)系則是一種近似線性的關(guān)系，當(dāng)被測(cè)電阻X變化而輸出電壓增大的時(shí)候就用負(fù)號(hào)來表示，若原來的電壓為交流電，那么也會(huì)輸出交流電壓[4]。

2.3 平衡電橋

當(dāng)n=R3/R4，為了達(dá)到輸出電壓表中的電壓為零，就可以利用調(diào)節(jié)可調(diào)電阻P的形式來實(shí)現(xiàn)，從而測(cè)出被測(cè)電阻X的值，若輸出電壓為零則表示此時(shí)的電橋?yàn)槠胶怆姌颍琻=R3/R4=Rx/Rp，那么被測(cè)電阻X就等于n倍的可調(diào)電阻P的電阻值。在實(shí)際工作中通常使用電阻箱對(duì)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了精確的測(cè)量被測(cè)電阻，還需要人工進(jìn)行調(diào)節(jié)。若是被測(cè)電阻發(fā)生變化，為了使電橋平衡就需要重新調(diào)節(jié)。若被測(cè)電阻是應(yīng)變片電阻，那么人工就很難調(diào)節(jié)，所以就需要通過其自身的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)[5]。

3 自動(dòng)檢測(cè)中調(diào)整差動(dòng)電橋電路的方法

當(dāng)電阻為滿量程、滿刻度的調(diào)節(jié)電位器，若最大限度的變化被測(cè)電阻，那么輸出的電壓也是最大的，那么就可以調(diào)節(jié)電位器來顯示刻度值，從而檢測(cè)出電壓變化；而在四臂電橋中，R1、R2、R3、R4的值都相等是最為理想的狀態(tài)，但是在實(shí)際中卻很難出現(xiàn)R1、R2、R3、R4的值都相等的情況，這時(shí)就造成了電橋產(chǎn)生不平衡的初始狀態(tài)，這時(shí)就可以調(diào)節(jié)可調(diào)電阻或者調(diào)節(jié)調(diào)零電源來使其達(dá)到平衡，而通常情況下調(diào)零電源在輸出回路中是串聯(lián)的，具有與輸出電壓相反的極性[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過自動(dòng)檢測(cè)中的電橋電路的深入分析，從中可以了解到電橋電路的作用，以及具體的工作原理和調(diào)節(jié)方法，在測(cè)量電阻的時(shí)候可以通過測(cè)量電橋中的輸出電壓來了解的變化情況，因此適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電阻，可以保持電路的平衡，從而保持電橋的穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

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[3]尹虎承.基于自動(dòng)平衡電橋方法阻抗測(cè)量系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]桂媛，李森，任志剛，等.基于電橋法電纜絕緣故障自動(dòng)測(cè)距的研究[J].電氣應(yīng)用，2015，S1：434-438.

[5]丁家峰.基于SOFC的變壓器油中溶解氣體檢測(cè)機(jī)理與技術(shù)研究[D].中南大學(xué)，2012.

[6]陸沈敏.基于FPGA的電流比較儀式電橋[D].上海交通大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：陳冬冬（1985，12-），男，民族：漢族，籍貫：安徽亳州，工作單位：亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，職務(wù)：教師，職稱：助講，學(xué)位：工程碩士學(xué)位，研究方向：電子信息工程領(lǐng)域。