浅析自动检测中的电桥电路

摘 要：电桥电路以其自身的优点被广泛应用到检测电容、电阻等变化量中，如消除温度误差、抑制共模干扰信号、可测差动变化方向、较小的非线性误差、较高的精确度和灵敏度等，因此研究电桥电路具有重要意义。文章主要研究电桥电路的概述、工作原理，以及自动检测中调整差动电桥电路的方法。

关键词：电桥电路；自动检测；检测技术

前言

随着电桥的快速发展，人們逐渐加大了对它的重视，为了给人们提供安全、高效的电桥，在自动检测中常用电桥电路来检测一些阻抗变化量，从而提高自动检测的工作效率，促进电桥的安全运行。

1自动检测中的电桥电路的概述

一个四边形的电路结构是由四个二端元件连接构成的就是电桥电路，在四边形的电路中各边叫做桥臂。用电桥电路将电阻片的实际电阻变化率通过电压的形式输出，为放大后的放大电路提供测量，这就是电桥电路的作用。根据不同的分类方法可以将电桥电路分为不同的类别，如单臂桥、差动电桥、双差动电桥；交流电桥、直流电桥；不平衡电桥、平衡电桥。另外电桥电路的主要输出形式根据其负载情况可以分为电压、电流两种形式。电桥的平衡条件为n=R1/R2=R3/R4。

2 自动检测中的电桥电路的工作原理

2.1 差动电桥

将被测电阻接入到电桥的四个桥臂中，则可以得到被测电阻Z为电阻i与电阻i的变化率的和，其中i为四个桥臂的序号1、2、3、4.当开始检测的时候电阻i的变化率为零，那么被测电阻Z为电阻i相等，且满足n=R1/R2=R3/R4条件，当四个桥臂的电阻开始变化，那么电桥的输出电压就是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要大那么其中的二阶微量项就可以忽略不计，当R1、R2、R3、R4都相等的情况下，那么它就是全等臂电桥[1]。在单臂桥的工作中，当具有相同的输出电压时，非线性误差e=1/2×ΔR1/R1，其输出电压与不平衡电压是一致的，则电压U=UiΔR1/4R1，则非线性误差是存在的。在双臂差动电桥中，同时变化两个对应的桥臂，保持其具有相等的变化量，相反的方向。例如分别在桥梁的上、下面粘贴完全相同的两个电阻应变片，确保其粘贴在相同的位置，当桥梁受到力产生弯曲现象时，若是出现两个电阻应变片具有相等大小的电阻值变化，且具有相反的极性，那么就叫它为双臂差动电桥。那么非线性误差e=[ΔR1/R1+（-ΔR2/R2）]/2=0，输出电压为UiΔR1/2R1，由此可以看出与单臂电桥的输出电压相比，双臂差动电桥的输出电压提升了两倍，也就是说提升了两倍的灵敏度，非线性误差也极大的减小，甚至消除了[2]。若是在四臂差动电桥中，当同时变化四个对应桥臂电阻时，且具有相等大小的变化量，两个对应的桥臂保持相反的方向，那么在粘贴相同的电阻应变片，两个对应的电阻片就会出现相反的极性，就叫它为四臂差动电桥。而非线性误差e=[ΔR1/R1+（-ΔR2/R2）+（-ΔR3/R3）+ΔR4/R4]/2，输出电压为UiΔR1/R1，与单臂电桥相比，四壁差动电桥提高了4倍的输出电压、灵敏度，对非线性误差起到了消除作用。从而得出差动电桥的特点有：消除温度误差、对共模干扰信号具有抑制作用；差动变化的方向可以准确的测出；非线性误差可以极大的较小或消除；电桥的灵敏度、输出电压可成倍的提高[3]。

2.2 不平衡电桥

当初始的被测电阻X不发生任何变化时，则ΔR1为零，R1与初始的电阻相同。可调节电阻P，且与R2相等，保证输出的电压为零，那么n=R1/R2=R3/R4与初始的电阻X与调节的电阻比值相等。若是让初始电阻X产生一点点变化，那么ΔR1就不为零，且增加的ΔR1再加上R1就是初始电阻X。而这时的电桥就会发生不平衡的现象，且输出的电压也不为零。若R1、R2、R3、R4的值都相等的情况下，那么输出电压就等于1/[2+ΔR1/R1]-1/2，当电阻比电阻变化率大的时候，就可以忽略ΔR12/R12的部分，由此可得出结论：在电压表显示电压刻度的时候将表头标记为F就可以显示出力的值，若是出现不符的刻度，加上一个比例放大器就可以准确的显示出力值；如果应变片电阻为被测电阻X，那么被测电阻X就会因外力而发生变化，这时通过测量其输出电压就可以测出外力的大小；当电阻1和原有的电压不变的时候，那么被测电阻X的变化情况就可以通过输出的电压大小来测量，而初始电阻X的变化也会引起输出电压的变化，这种情况就是自动检测中的不平衡电桥电路；电阻1的变化率与输出电压具有一定关系的时候，它们之间的关系则是一种近似线性的关系，当被测电阻X变化而输出电压增大的时候就用负号来表示，若原来的电压为交流电，那么也会输出交流电压[4]。

2.3 平衡电桥

当n=R3/R4，为了达到输出电压表中的电压为零，就可以利用调节可调电阻P的形式来实现，从而测出被测电阻X的值，若输出电压为零则表示此时的电桥为平衡电桥，n=R3/R4=Rx/Rp，那么被测电阻X就等于n倍的可调电阻P的电阻值。在实际工作中通常使用电阻箱对电阻进行调节，为了精确的测量被测电阻，还需要人工进行调节。若是被测电阻发生变化，为了使电桥平衡就需要重新调节。若被测电阻是应变片电阻，那么人工就很难调节，所以就需要通过其自身的自动调节功能进行调节[5]。

3 自动检测中调整差动电桥电路的方法

当电阻为满量程、满刻度的调节电位器，若最大限度的变化被测电阻，那么输出的电压也是最大的，那么就可以调节电位器来显示刻度值，从而检测出电压变化；而在四臂电桥中，R1、R2、R3、R4的值都相等是最为理想的状态，但是在实际中却很难出现R1、R2、R3、R4的值都相等的情况，这时就造成了电桥产生不平衡的初始状态，这时就可以调节可调电阻或者调节调零电源来使其达到平衡，而通常情况下调零电源在输出回路中是串联的，具有与输出电压相反的极性[6]。

4 结束语

综上所述，通过自动检测中的电桥电路的深入分析，从中可以了解到电桥电路的作用，以及具体的工作原理和调节方法，在测量电阻的时候可以通过测量电桥中的输出电压来了解的变化情况，因此适当的调节电阻，可以保持电路的平衡，从而保持电桥的稳定。

参考文献

[1]周振.基于MEMS悬臂梁压阻桥式传感器的检测仪的研制[D].中北大学，2012.

[2]李岩.基于单片机的吨位级压力自动检测系统的研究[D].河北工业大学，2013.

[3]尹虎承.基于自动平衡电桥方法阻抗测量系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2010.

[4]桂媛，李森，任志刚，等.基于电桥法电缆绝缘故障自动测距的研究[J].电气应用，2015，S1：434-438.

[5]丁家峰.基于SOFC的变压器油中溶解气体检测机理与技术研究[D].中南大学，2012.

[6]陆沈敏.基于FPGA的电流比较仪式电桥[D].上海交通大学，2013.

作者简介：陈冬冬（1985，12-），男，民族：汉族，籍贯：安徽亳州，工作单位：亳州职业技术学院，职务：教师，职称：助讲，学位：工程硕士学位，研究方向：电子信息工程领域。