第7次课电桥&运算放大电路

机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录本章教学要求：•1、掌握各种典型信号电路的工作原理、特性及实际应用。•2、熟悉调幅、解调技术在测量电路中的应用。•3、熟悉调频、解调技术在测量电路中的应用。第四章信号的调理与记录机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录本课学习内容：•4.1电桥•4.2信号的放大1.掌握电桥的分类、工作原理、输出特性及实际应用。2.熟悉常用运算放大器的原理、特点。重点：电桥的工作原理、输出特性。难点：电桥、运算放大器在实际测量电路中的应用。学习要求：机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录4.1电桥电桥——是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。分类：•按激励电压的性质直流电桥交流电桥•按输出方式不平衡桥式电路平衡桥式电路目录机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录一、直流电桥04321423104340211URRRRRRRRURRRURRRUUUadaby4231RRRRabcd1R2R3R4RyU0U1I2I2、平衡条件1、电桥形式要使电桥平衡，输出为零，应满足0U为直流电源yU为输出电压机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录•当R1=R2,R3=R4,是输入电压对称电桥（ⅰ）；•当R1=R3,R2=R4,是输出电压对称电桥(ⅱ)；•当R1=R2=R3=R4,是等臂电桥(ⅲ)。由于ⅰ和ⅲ电桥的输出电压灵敏度大，故测量电桥常采用这两种形式。abcd1R2R3R4RyU0U1I2I3、输出特性机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录（1）单臂接法输出电压0434211URRRRRRRRUy04321RRRRR0024URRRUy0RR004URRUy所以则输出电压因为了简化设计和提高灵敏度，现采用等臂电桥(ⅲ)，即有RR1机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录可见，电桥的输出与激励电压成正比，且在条件下，与成正比。0/RRyU0U0RR041/URRUSy上页目录004URRUy灵敏度机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与成完全线性关系。021/URRUSy0/RRbcd3R4RyU0U1I2IR±ΔRa11R±RΔ220004342211112URRURRRRRRRRRUy灵敏度（2）半桥（双臂）接法输出RRR12机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录（3）全桥接法00URR0/URRUSy上页目录输出灵敏度044332211)(41URRRRRRRRUyRRRRR3412电桥各桥臂电阻都发生变化，机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录0114URRUy几种弹性元件不同贴片示意图（a）单臂电桥R1→△R1，△R2=△R3=△R4=0输出电压（b）双臂电桥（相邻臂）R1应变片为工作应变片，沿弹性元件轴向粘贴，R2应变片为补偿应变片，沿弹性元件周向粘贴，且R1=R2分布于相邻桥臂上。当弹性元件轴向受力后，△R2=-μ△R1(μ是泊松系数)输出电压0114)1(URRUy4、应变片的电桥接法：机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录01142URRUy（c）双臂电桥（相对臂）R1和R3都沿弹性元件轴向粘贴，且R1=R3。当弹性元件轴向受力后，△R3=△R1输出电压01142URRUy（d）双臂电桥（相邻臂）传感器弹性元件为圆环，在环的内外表面各贴一个应变片，如图（d）所示。当环受拉后，R1增大，R2减小，若R1=R2，则△R2=-△R1,输出电压机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录01144URRUy（f）全桥弹性元件为圆环，在环的内外表面贴有4个应变片。当环受拉后，R1、R3增大，R2、R4减小，若R1=R2=R3=R4，则△R1=-△R2=-△R4=△R3输出电压0114)1(2URRUy(e)全桥弹性元件上贴有4个应变片，R1和R3沿轴向粘贴，R2和R4沿周向粘贴，且R1=R2=R3=R4，R1、R3和R2、R4各接在相对桥臂上。当弹性元件受力后，应变片电阻的变化是△R1=△R3和△R2=△R4，并有△R2=-μ△R1，△R4=-μ△R3输出电压机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电源电压不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。因此，在某些情况下采用平衡电桥。044332211)(41URRRRRRRRUy机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录5、平衡电桥设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G及可调电位器H指零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器H，改变电阻R5触点位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录二、交流电桥交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。电桥平衡条件把各阻抗用指数形式表示4231ZZZZ1011jeZZ2022jeZZ3033jeZZ4044jeZZ423104020301jjeZZeZZ目录代入上式阻抗：R、CjZc1容抗LjZL感抗机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录其中，为各阻抗的模；423104020301ZZZZ04030201ZZZZ、、、4321、、、)90sin(11tICidtCumC注释：阻抗角—各桥臂电压与电流之间的相位差。为阻抗角电桥平衡必须满足两个条件tIimsintRIiRumRsin纯电阻时电流与电压同相位)90sin(tILdtdiLumL感性阻抗，电压超前电流90°容性阻抗，电流超前电压90°tIimsintIimsin机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录CjrZc1LjrZLcjRZR1//rcZcLrZLRCZR电容传感器电感传感器电阻传感器机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录电容电桥平衡时，有：244311)1()1(RCjRRCjR4213CRCR电容电桥如图电容电桥：相邻桥臂R2、R3为纯电阻；另相邻桥臂为电容C1、C4；R1、R4为电容介质损耗的等效电阻要使电桥平衡，必须同时调节电阻达到电阻平衡，调节电容达到电容平衡。令实部和虚部分别相等，得到电器平衡条件：4231RRRR机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录电感电桥平衡条件244311)()(RLjRRLjR4213LRLR如图电感电桥：相邻桥臂R2、R3为纯电阻；另相邻桥臂为电感L1、L4；4231RRRR机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录电阻交流电桥的分布电容具有电阻电容平衡的交流电阻电桥机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录三、带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂的电桥与一般电桥比较，具有较高的精确度、灵敏度以及性能稳定等优点变压器电桥电流比较仪式电桥耦合机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录四、电桥应用——电阻应变仪•电阻应变仪作为应变测量和各种应变式传感器的中间放大环节，是目前非电量电测技术中应用广泛的测量仪器之一。•电阻应变仪按可测应变变化频率范围可分为静态应变仪、动态应变仪、静动态应变仪和超动态应变仪等。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录静态应变仪用来测量静载荷或载荷变化缓慢时结构的应变。•有手调平衡指零读数的静态应变仪，用于测量点数少的，如国产YJ-5型和YJB-1A型，这类应变仪测量精度高，灵敏度高，可分辨1με。•对大型结构试验，测量点数从几十到几百，这就需要有自动调平，巡回切换、自动记录数据的装置，如国产的YJS-8型和YJS-14型。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录动态应变仪是用来测量频率一般为0~2kHz范围的应变，如国产的Y6D-2型、Y6D-3A型、Y8DB-5型和YD-15型等。这类应变仪性能稳定，抗干扰能力强，可测应变变化频率宽。静动态应变仪以测静态应变为主，也可测低频动态应变，如国产的YJD-1型和YJD-14型均属此类。其后都配有数字电压表和数字打印机，可进行多点自动切换测量应变，并用以显示和打印测量结果。超动态应变仪用于冲击、爆炸引起的频率高达10kHz以上的瞬态过程应变测量，国产Y6C-9型属此类。它的测量电桥是直流电桥，放大器采用差分放大器或调制型直流放大器，其工作频率可达200kHz。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录下图是YD-15型动态应变仪的工作原理方案图该应变仪是交流电桥载波放大式应变仪，它的组成包括电桥、振荡器、交流放大器、相敏检波器，滤波器和稳压电源等。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录4.2信号的放大对信号的放大有很多种电路可以实现，但工程测试中所遇到的信号，多为100kHz以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。一、信号放大电路机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录(1)调零消除失调误差•“调零”技术是使用运放时必须掌握的。•调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。•有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可。二、应用运放IC应注意的事项机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录(2)相位补偿消除高频自激•由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件，应用时一般接成闭环负反馈电路。•当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可能使负反馈变成正反馈而引起自激。进行相位补偿可以消除高频自激。•相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容C（几十～几百微微法）构成电压并联负反馈电路。•有些运放已经在内部进行了补偿，如μA741。有些运放引出了补偿端，只需按照器件手册规定，外接补偿电路即可，如国产5G24运算放大器。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录(3)过载保护•使用运放时要注意，不能超过其性能参数的极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强干扰源的场合更要注意。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录三、基本应用电路•集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录(1)反相输入式放大器（电压并联负反馈）iFcURRU1信号由放大器反相端(-)输入，输出信号为输入信号的反相，即正信号输入，负信号输出。特点：①反相端为虚地，所以共模输入可视为0,对运放共模抑制比要求低;②输出电阻小,带负载能力强;③要求放大倍数较大时,反馈电阻阻值高,稳定性差。如果要求放大倍数100，R1=100K，RF=10M。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录•反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。•反相放大器是最基本的电路。其闭环电压增益Av为1RRAFv机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录(2)同相输入式放大器—（电压串联负反馈）iFURRRU110信号由放大器同相端(+)输入,输出信号与输入信号同相。特点：输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强；U-=U+=Ui，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模抑制比要求高。机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录•同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益Av为•同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。11RRAFv机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录•电压跟随器U0≈Ui•输入