（已结贴）2011-08-09-工控擂台-简述电子平衡电桥的工作原理。 点击：3712 | 回复：15
简述电子平衡电桥的工作原理。
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简述电子平衡电桥的工作原理
上图所示为一直流供电的平衡电桥。A,B,C,D为电桥顶点，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4的四个电阻组成（其中任一个电阻可以是应变片，即热敏电阻），AC两端为输入口接直流电源，BD两端为电桥输出。
当电桥输出端BD接到一个无穷大负载电阻（实际上只要大到一定数值即可）上时，可以认为输出端开路，这时直流电桥称为电压桥。
从ABC半个桥看，流经R1的电流
电桥输出电压：
（精确公式）
若将平衡条件R1R4=R2R3代入上式，并考虑ΔR1 < R1略去高阶微量，则电桥的输出电压为：
(近似公式）
在这个平衡电桥中由热敏电阻作为我们温度设计信号的来源，当它受到不同温度时会经过整个平衡电桥来使输出电压发生变化。实现温度的检测与电压转换。
偶上学时曾学过这个电子平衡电桥，当时刚刚学完电子电位差计，基本上讲的很粗略，那时又学习不认真，学习完后很快就要考试，但是有一个死结就是电子电位差计与电子平衡电桥经常混淆，两者都是测量温度的二次仪表，而且检测电路都是桥臂电路，偶一直转不个弯来，最后不了了之。
上班后见到了实物的电子电位差计用来校准热工仪表，热电阻二次表使用的是标准电阻箱，电子平衡电桥是检测热电阻的二次表的内部处理电路，其原理就是通过桥臂检测热电阻。
电子平衡电桥最核心的就是电阻测量桥路，当仪表达到平衡时电子平衡电桥的测量 桥路本身处于平衡状态，测量桥路无输出，为了减小连接导线电阻随环境温度变化而引起的测量误差，热电阻与桥路采用三线制连接，现在有了四线制连接其原理还是使用了桥臂的测量原理。
电子平衡电桥是一种与热电阻元件配套使用的电子平衡显示仪表。其工作原理如图所示：
（1） 当仪表工作时，由于热电阻RT置于被测温度场中，其阻值随温度变化而变化，当温度降低时，RT变小；
（2）当温度升高时，RT增大，因此桥路有一不平衡电势输出，经放大器放大后驱动可逆电机转动，使滑动触点移动，直至不平衡信号消失，电桥重新平衡，同时，可逆电机带动指示记录机构，指示和记录出相应的温度值。
上图中CX、RX为被测试品的电容和电阻；R3为无感可调电阻；CN为高压标准电容器；C4为可调电容器；R4为无感固定电阻；P为交流检流计。
当电桥平衡时，检流计P内无电流通过，说明A、B两点间无电位差。因此，电压 与 ，以及 与 必然大小相等相位相同。
所以在桥臂CA和AD中流过相同的电流 ，在桥臂CB和BD中流过相同的电流 。各桥臂电压之比应等于相应桥臂阻抗之比：
Z3＝R3； 。
将上列各式代入式(2)中，并使等式两边实部、虚部分别相等，得到
tgδ＝ωC4R4
在工频50Hz时，ω＝2πf＝100π，如取
则tgδ＝C4(C4以μF计)，此时电桥中C4的微法数经刻度转换就是被试品的tgδ值，可直接从电桥面板上的C4数值上读得。
精密仪表放大器大多采用典型的集成三运放结构或其改进型结构，如图1所示。
图1 仪表放大器原理图
由A3运放及R1—R4 组成的放大电路输人输出关系可由下式表示：
（1）
· 般取：R1=R2=R3=R4
则有：
（2）
这种情况下该级放大器的放大倍数为1 其输出电压值随输入电压和参考电压之和变化而变化 理想情况下，当参考端接地、测量系统空载时， 
应为零。在实际测量中，由于桥路失衡及放大器零漂等原因，会导致输出端有电压输出造成零点偏移。由式(2 可知：
即
的值可通过Ref端接地时测得的
而得到。然后再将此电压值反向后加到仪表放大器的参考端，可使
为零。
图2 利用积分负反馈法实现桥路自动平衡电路原理图
（3）
式中
为积分时间常数。
如果将积分电路的转入端接放大器输出端，积分电路的辅出端接放大器参考端，那么由于负反馈作用，放大器辅出端的电压会目参考端电压的变化而逐渐趋于零．从而达到调零的目的，归零的时间与积分时间常数r有关 r越大，则归零时间越长．但电容器漏电和电路寄生参数的影响将增加；
若小，则积分漂移将增大。故
值的选取是有限的，一般取
为宜。
调零的目的是为了测试，因此，谓零结束后，还要将积分电路的转凡端与放大器辅出端断开．这时候放大器输出端若要保持无零偏状态，则积分电路的输出端应保持断开前的电压值，这就要求电容器无漏电。所以在实际应用中，应尽可能选取漏电阻大，泄漏小的电容器，如聚苯乙烯等电容器，这对电路平衡的保持时间至关重要。
电源接通时，电桥线路中各支路均有电流通过。当C、D两点之间的电位不相等时，桥路中的电流 ，检流计的指针发生偏转；当C、D两点之间的电位相等时，桥路中的电流 ，检流计指针指零（检流计的零点在刻度盘的中间），这时我们称电桥处于平衡状态。因此电桥处于平衡状态时有：
此式说明，电桥平衡时，电桥相对臂电阻的乘积相等。这就是电桥的平衡条件。
根据电桥的平衡条件，若已知其中三个臂的电阻，就可以计算出另一个桥臂电阻，因此，电桥测电阻的计算式为
2、利用计数器及D／A转换器实现桥路自动平衡、
如图3所示．该电路利用二进制计数器的计数输出端作为D／A转换器的数字信号输入，D／A转换器的模拟输出信号经放大(或反向放大)后送到仪表放大器的参考端。当按下自动平衡按钮后．通过单稳电路给一定时脉冲使计数器清零．同时启动振荡器工作 计数器清零后，D／A转换器辅出一固定负的(或正)电压值，经反向放大后送到仪表放大器的参考端，此时不论零偏为正或为负，加在仪表放大器参考端的大电压值可保证其输出均为一正电压值甚至过载(可用表头显示)．随着计数器的不断计数，D／A转换器的输出逐渐由煎值向正值变化，仪表放大器的参考端电压则由正向负变化，相应其输出也不断减小，当其辅出值由正电压变为负电压的瞬间，过零检测电路给出信号使振荡器停振，计数器停止工作，D／A转换器的输出值也不再变化，这时仪表放大器的辅出基本无零偏(1mV左右)。由于计数器的记数值是被保持的，故加到仪表放大器的参考端电压值在谓零结束后仍保持不变，只要没有新的失衡或断电，电路的平衡状态可 得到长时间的保持。
图3 利用计数器及D／A换器实现桥路自动平衡原理框图
此电路的特点是平衡状态保持时间长，加装断电保护电池后，还能保证测量中平衡状态不受突然断电的影响。另外其费用也不高 砖点是电路较复杂，谓零准确眭受过零检测电路响应时间影响，精度较差，若后级放大的倍数较大时，会导致较大的输出零偏 另外，调平衡时会造成放大器输出短时间过载.
3、利用A／D，D／A 转换器实现桥路自动平衡
由上节的分析可知，将放大器输出的零偏电压值反向后进到仪表放大器的参考端即可使电路恢复零位。因此，可利用A／D 转换器读取零偏电压，再经D／A 转换和反向，然后加至仪表放大器的参考端，即可实现自动凋零。其原理框图如图4所示。
4、通过软件编程实现桥路自动平衡
图5 通过软件编程实现电桥自动平衡原理框图
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