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应变片电桥

由应变片构成的电桥测量电路
应变片电桥是以惠斯通电桥为基础,将应变片作为可变电阻桥臂构成的传感电路,主要用于将机械应变转换为可测电信号。该电路根据应变片数量配置可分为1/4桥、半桥和全桥三种结构,灵敏度依次提升且非线性误差降低。实际应用中需配合温度补偿技术和信号调理器件抑制零点漂移,典型应用场景涵盖工业应力测试、压力传感器开发等领域 [1]
中文名称
应变片电桥
英文名称
strain gauge bridge
定  义
由应变片组成的电桥电路。
应用学科
机械工程(一级学科),实验室仪器和装置(二级学科),应变测量仪器-应变测量仪器测试方法(三级学科)
电路类型
直流/交流供电可选 [1]
组成结构
4个桥臂(应变片+电阻)
主要功能
应变-电压信号转换
激励电源
5-10V直流或交流
应用领域
机械/土木工程检测 [1]
精度等级
0.2%-0.3%非线性误差

结构类型

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根据应变片配置方式分为三种基本结构:
  • 1/4桥:单应变片与三个固定电阻构成,适用基础应力测量。其中3线式接线法(截至2023年)通过补偿导线电阻提升精度
  • 半桥:两应变片构成工作桥臂,双工作法可消除非目标应变成分
  • 全桥:四桥臂均使用应变片,灵敏度最高且具备多重温度补偿能力

工作原理

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电桥输出端电压变化与应变片阻值变化量呈正比 [1]
  • 平衡状态时满足初始条件R1·R4=R2·R3,应变导致电阻变化ΔR打破平衡
  • 直流不平衡电桥输出电压与ΔR1线性相关,典型输出电压公式为Uo≈(1/4)KεE(单臂)至Uo≈KεE(全桥)
  • 实际应用中多采用交流电源(截至2020年技术规范)配合交流放大器,有效规避直流零点漂移问题 [1]

性能特点

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不同配置方式存在显著性能差异 [1]
  • 灵敏度:全桥可达单臂的4倍(实验数据测得全桥灵敏度1.2264,单臂0.3191)
  • 非线性误差:半桥最低(0.227%),全桥与半桥误差相近但灵敏度更高
  • 温度补偿:半桥采用补偿片法,全桥通过对称布局实现自补偿

应用与挑战

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在工程实践中需克服输出信号微弱、零点漂移及温度补偿需求三大技术难点 [1]
  • 微弱信号:满量程输出仅1mV/V量级,需使用AD620等信号调理IC放大
  • 零点漂移:温度变化导致零点偏移可达4mV,需配合电桥补偿法和温度传感器
  • 材料匹配:金属应变片(箔式)与半导体应变片的温度系数差异需在电路设计时协调

实验验证

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2024年传感器实验数据显示:
  • 单臂电桥灵敏度系数0.3191,非线性误差0.327%
  • 半桥灵敏度提升至0.6273,误差降至0.227%
  • 全桥灵敏度达1.2264,验证理论灵敏度公式S=ΔV/ΔW

电路平衡技术

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初始电阻偏差需通过平衡电路校正:
  • 精密可调电阻补偿法:适用于毫伏级信号放大前校准
  • 数字电位器补偿:2025年文献提出新型平衡电路方案,提升数据采集准确性
  • 自动平衡技术:结合Σ-Δ模数转换器实现动态补偿(截至2024年12月技术进展)