测量电桥的误差分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第20卷第1期南方冶金学院学报VoL2o，N_o·1999年2月JOURNALOFSOUTHERNINSTITUTEOFMETALLURGYFeb．，1999测量电桥的误差分析q。张慧兰哮丁气摘要分析了测量电桥中桥臂参数选择引起的误差、零位误差、引线电阻误差及非线性误差，并提出了调整、消除及处理方法．力求把测量误差减少到最小范围，以提高测量的精度．关键词测量电桥．零位误差引线电阻误差，非线性误差——‘。_——～一6；未I苗I测量电桥指至少有一个桥臂是敏感元件的斯登电桥．这种电桥，在平衡时输出电压为零，此时规定为输出起始

2、位；随着被测量变化引起敏感元件值的改变，从而电桥平衡破坏，桥输出不为零，被测量变化太，输出也太，这就是不平衡电桥的测量原理．随着传感技术的发展，测量电桥应用相当广泛．我院新开设的传感器实验，用应变片组成的电桥实验引起B我们的关注．由于测量电桥是测量系统中的信号转换环节，其误差大小对整个测量系统的误差，显得尤为重要．依据桥臂元件的性质不同，涮量电桥可分为：电阻．D性测量电桥、电抗性测量电桥．本文就我院实验中开出的电阻性测量电桥的误差问题．作一粗浅的分析．1误差分析1．选择桥臂参数引起的误差图l是测量电桥电路．月为被测电阻(可以是敏感元件)，在电桥元件参数选择中，R／R

3、s为多少时，盈的测量误差为晟小呢?围l测量电桥电路示意图如图i所示．当电阻月改变时，可使B，C间的电流改变．当电阻月为某一值时，恰使=，则G表中无电流通过指针示零不动，即电桥平衡．此时c=产“即JtRt=LR收稿日期：19970903维普资讯http://www.cqvip.comS0南方冶金学院学报1998年2月2R2=lR3困G表中无电流，所以-=L=L(1)、(2)式相除得L兄2兄3兄=Rt／Rz-R，=Ra／R：-R(3)(3)式即电桥平衡条件对(3)式求导得A兄一兄r△兄。(4)见R：·(R—R：)(兄=R2+Ra)由数学分析求极值条件”可得：R2=R3=

4、R／z即R。／R，=1时兄的测量误差最小．2，零位误差与调整对于一个等臂电桥的平衡，在理论上是很清楚的，由于工艺上很难做到四臂电桥完全一样，电桥实4际上存有零位误差，即不完全平衡．图2是应变测量电桥，兄+、兄一为敏感元件(应变片)，如果直流电桥只考虑电阻平衡；对于交流电桥不仅对电阻要进行平衡，还需对电抗分量进行平衡(主要对连接线和应变片的分布电容进行平衡)．零位误差消除的调整过程：先进行电阻调零．调节与20电阻相连的1OK电位器，以改变1—4端和3—4端之间的电阻值．使之达到电桥的电阻平衡．而电抗平衡是调节与2000PF电容相连的3电位器．改变1—2端和3—2端之间

5、的电抗．使电桥的电抗达到平衡，在调节电抗的平衡的过程中，会使桥臂电阻发生变化失去平衡，又需要调电阻平衡，因此须反复交替调节才围2应变测量电桥示意图能达到完全平衡．3．引线电阻误差及消除在不少情况下，测试现场离控制室有一段较长的距离(见图3)，致使引线电阻的影响已不容忽视，设：被测量为零，此时电桥平衡，于是，兄rRa=R：·(冠+2r)式中：r__一引线电阻；兄——为敏感元件热电阻．’．’R2=Ra‘．．冠=R一2r假定引线电阻保持不变，输出不受影响，然而实际上}线电阻r随环境温度一直不断地维普资讯http://www.cqvip.com第20卷第1期张慧兰：测量电桥

6、的误差分析51在变，这就给测量带来了误差．为了减少引线误差，我们将原实验进行改造，采用四线制测量电桥(见图4)．同理可得：(R+2r)·Ra—R2·(R+2r)’．’R2一Ra．．R．一R：可见敏感元件的阻值与引控箭室内桥路线电阻无关，这就保证了电图3测试距离示意图桥无论在平衡还是不平衡状态下，均不受引线电阻的影响．从而消除了引线误差．4．非线性误差和线性化处理图5所示的是单臂测量电桥(只有一个桥臂为敏感元件)，如：R一R+△R则电桥输出电压为=(RJR朋一÷)·[+V-一(一V)]图4四线串j测量电桥示意图=f+AR／2R+A一0寺)z；△R／2R+△R·V，可见

7、：与△冠之间呈非线性．非线性程度随△／增加而增加，其静特性见图6．为了消除非线性误差，必须进行线性化处理．利用集成运放构成的线性化环节(见图7)以改变测量电桥供电电压的方法来实现线性化．电路中A是一个同相输入放大器，输入电阻／2．0共输入信号为测量电桥的输出电压，而其图5单臂测量电桥示意图输出即线性化后的测量桥路实际的输出电压．Az是一个加法器，其作用是综合基准电压和输出量，以得到一个起线性化作用的变动的桥路供电电压一-．Aa是一个反相器，用维普资讯http://www.cqvip.com南方冶垒学院学报1999年2月以获得桥路另一对称的供电电压+该电路有如下关