电桥是用比较法测量物理量的电磁学基本测量仪器。电桥的种类很多,测量中等阻值(10~106Ω)的电阻用惠斯登电桥进行测量,电阻应变仪的核心元件是惠斯登电桥;若要测量更大阻值的电阻,一般采用高电阻电桥或兆欧表;而要测量阻值较小的电阻,一般采用双臂电桥(开尔文电桥)。以下对惠斯登电桥进行简单介绍。
1)惠斯登电桥
惠斯登电桥(又称单臂电桥)是一种可以精确测量电阻的仪器。图1-16所示是一个通用的惠斯登电桥。电阻R1、R2、R0、Rx叫做电桥的4个臂,G为检流计,用以检查它所在的支路有无电流。当G无电流通过时,称电桥达到平衡。平衡时,4个臂的阻值满足一个简单的关系,利用这一关系就可测量电阻。
图1-16 通用惠斯登电桥
2)全桥、半桥、1/4桥电路原理
通常应变片感受应变变化的同时也感受温度变化,也称为测量片。如图1-17(a)所示,AB、BC、AD、DC为桥接电路的4个桥臂,每一个桥臂上可以分别接上一个应变片R1、R2、R3、R4,4个桥臂均为应变片的电桥称为全桥。使用2个标准电阻代替测量片,将图1-17(a)中的R3和R4用标准电阻R代替,如图1-17(b)所示,此时的测量电桥称为半桥。若应变片不受应变变化影响,仅受温度变化的影响,称为温度补偿片Rt。将半桥中的R2用温度补偿应变片Rt代替,则这时的测量电桥称为1/4桥,如图1-17(c)所示。
图1-17 全桥、半桥、1/4桥电路原理图(www.xing528.com)
电阻变化值主要由两部分组成:一是应变变化引起的分量,二是温度变化引起的分量。在用电桥测试时由温度引起的阻值变化是需要消除的。最简单的方法便是将两个同批号的应变片组成电桥的相邻桥臂,因为同批号的应变片通常具有相同的温度系数,它们连接到相邻桥臂时,电桥输出将不含温度输出。
半桥或全桥测量时不含温度输出,因为只要等臂电桥的4个(或半桥的2个)应变片性能相同,所处的环境也相同,则温度应变Δt应相同,温度应变自然消去。而在1/4桥电路中,只有一个测量片,无法消除温度应变,但是在复杂环境下或者精度要求较高的实验中,去除温度的影响必不可少,所以需另外加入温度补偿片以消除温度应变的影响。为了达到既能进行温度补偿,又能节约应变片的目的,常使用半桥单片测量的方法,其中的一个应变片不受应变变化的影响而仅受温度变化的影响,起到温度补偿片的作用。当测量点较多时,一个温度补偿片可同时补偿多个测量片,如图1-18所示。
图1-18 多点测量温度补偿片连接示意图
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